כתבת המעבדים הגדולה חלק א': מעבדים, אלקטרוניקה וקצת כימיה

שערים לוגיים

מיליוני הטרנזיסטורים במעבדים היום משמשים כמיליוני שערים לוגיים(מתגים מסוגים שונים היוצרים רצף לוגי כלשהו) ויוצרים ביחד כח חישוב עצום שנשלט כולו ע"י התוכנה.
שערים לוגיים הם בעצם אבני הבניין של כל מעבד שבעצמם מורכבים מאבני בניין שעל דרך פעולתן למדנו בדפים האחרונים.

אם תסתכלו על ההסטוריה של המעבד, תראו שכל הטכנולוגיה מהמצאת המעבד הראשון עד היום מבוססת על השערים הלוגיים או שערים בולאניים (Boolean Gates) ומבוססת על הלוגיקה הבוליאנית. הדבר היחידי שהשתנה, היא הטכנולוגיה שמשמשת ליישום הלוגיקה הזו. למעשה היישומים הראשונים היו השפורפרות והמתגים שדיברנו עליהם קודם. אבל מהמצאת טכנולוגית המעגל המשולב ICs(Integrated Circuits) בתחילת שנות השישים דיודות, טרנזיסטורים ונגדים(רכיב שתפקידו להתנגד לזרם חשמלי כדי להפחית מעוצמתו) יוצרו כולם על שבב סיליקון בתהליך שנלמד עליו בהמשך.

בהתחלה היו שבבים פשוטים שנקראו SSI ICs(Small Scale Integration), בכל אחד מהם היו כמה עשרות טרנזיסטורים ורכיבים נוספים שהיו ביחד 4-6 שערים לוגיים. עם שיפור הטכנולוגיה באמצע שנות השישים, יותר ויותר טרנזיסטורים נדחפו לשבב אחד והתחילו לצוץ שבבים מתקדמים יותר שיכלו לבצע פעולות חיבור ותפקודים שונים, טכנולוגיה זו נקראה MSI ICs(Medium Scale Integration) והובילה לבסוף לפיתוחה של הטכנולוגיה שאיפשרה את פיתוחו של המיקרו מעבד הראשון, LSI ICs(Large Scale Integration).

לדוגמה: אחד הדברים השימושיים והפשוטים ביותר שעושים עם שערים לוגיים הוא זיכרון, אם נסדר כמה בצורה נכונה הם יזכרו ערך שהוכנס אליהם. זכרון מסתמך על עקרון הנקרא Feedback, הפלט משער לוגי מוזן חזרה לקלט שלו בסופו של דבר.

בדוגמה שלפנינו אנו רואים יחידת זכרון בסיסית המסוגלת "לזכור" ערך של ביט אחד, משרשרים שני שערי NOT שתפקידם להפוך את הקלט המוכנס אליהם. במקרה הזה אם נכניס לכניסת הקלט(Input) של המעגל למשל (1), השער הראשון יהפוך אותו ל-(0) והשער השני יחזיר אותו ל-(1) עוד פעם, הפלט שלו (במקרה הזה 1) יכנס שוב לקלט של השער הראשון וחוזר חלילה, כך מעגל זה בעצם זוכר את הקלט המוכנס אליו. אם נרצה את הפלט נוכל לקבל אותו מיציאת הפלט(Output) בכל מחזור של יחידת הזכרון הפשוטה הזו.

בסך הכל שבבים דיגיטליים (כולל מעבדים), מורכבים ממיליוני שערים לוגיים מכל הסוגים ויוצרים ביחד ברצף לוגי, מהונדס היטב על ידי המהנדסים, עוצמת חישוב כלשהי. אחת המידות למורכבותו של מעבד ובמידה רבה גם אחראית לעוצמתו היא כמות הטרנזיסטורים(אחד מאבני הבניין של שער לוגי) הכלולים בו. נבין יותר בסוף איך מספר הטרנזיסטורים משפיע על ביצועי המעבד.
עכשיו אחרי שלמדנו על אבני הבניין, העקרונות והכל מובן לנו, הגיע הזמן ללמוד על הנושא שלשמו התכנסנו כאן היום, איך עובד מעבד?.