Chỉ làm mỗi việc bật tắt dòng điện, các bóng bán dẫn thực hiện việc tính toán như thế nào?

Chỉ làm mỗi việc bật tắt dòng điện, các bóng bán dẫn thực hiện việc tính toán như thế nào?
Theo: Nguyễn Hải Theo Trí Thức Trẻ
Thể loại: Khoa Học Công Nghệ
Làm thế nào chỉ với việc bật tắt dòng điện đi qua bóng bán dẫn, các bộ xử lý có thể thực hiện được các phép tính cũng như các tác vụ phức tạp khác?

Những bộ xử lý điện toán hiện đã trở nên quá quen thuộc trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, chúng hiện diện trong các máy tính cầm tay tính toán đơn giản, các máy tính cá nhân phức tạp, cũng như cả trong các điện thoại, tablet mà chúng ta cầm theo người hàng ngày.

Mặc dù đa dạng về hình dạng cũng như chức năng, chúng đều chung một nguyên lý hoạt động, đó là việc bật tắt dòng điện đi qua bóng bán dẫn để biểu diễn cho các số 0 và 1 trong hệ đếm nhị phân. Tuy nhiên, nếu chỉ dựa vào việc bật tắt dòng điện đi qua bóng bán dẫn, bộ xử lý thực hiện việc tính toán cũng như các tác vụ khác như thế nào?

Chỉ làm mỗi việc bật tắt dòng điện, các bóng bán dẫn thực hiện việc tính toán như thế nào? - Ảnh 1.

Các cổng logic - thành phần cơ bản của mỗi phép tính

Bản thân mỗi bóng bán dẫn đơn lẻ thì khó có thể làm gì hơn được, nhưng khi được ghép nối một cách chính xác với nhau, chúng sẽ tạo thành các cổng logic (các Logic Gate). Các cổng logic là những mạch điện siêu nhỏ được tạo thành từ các bóng bán dẫn.

Với đầu vào là hai bóng bán dẫn, dựa vào trạng thái đóng mở của chúng trong mạch điện, mỗi cổng logic sẽ cho ra kết quả là 0 hoặc 1 tương ứng. Tùy vào cách ghép mạch giữa bóng bán dẫn đầu vào và đầu ra, có 8 cổng logic cơ bản: cổng OR, cổng XOR, cổng NOR, cổng XNOR, cổng AND, cổng NAND, cổng NOT và cổng Buffer (cổng đệm).

Chỉ làm mỗi việc bật tắt dòng điện, các bóng bán dẫn thực hiện việc tính toán như thế nào? - Ảnh 2.

Biểu tượng các cổng Logic.

Ví dụ cổng OR là một mạch song song với hai đầu vào là hai bóng bán dẫn. Khi có dòng điện đặt vào cổng, chỉ cần một trong hai bóng bán dẫn đầu vào bật (có đầu vào là 1 hoặc True) thì đầu ra của cổng sẽ có điện (hay trả ra kết quả là 1 hoặc True).

Còn cổng AND là một mạch nối tiếp với 2 bóng bán dẫn đầu vào. Do vậy, cổng AND chỉ trả ra kết quả True (1) nếu cả hai cổng đầu vào là True (1) (hay cả hai bóng bán dẫn đều bật để dòng điện đi qua).

Chỉ làm mỗi việc bật tắt dòng điện, các bóng bán dẫn thực hiện việc tính toán như thế nào? - Ảnh 3.

Minh họa về mạch điện trong các cổng AND, cổng OR và cổng NOT.

Cổng NOT chỉ là một công tắc đóng mở dòng điện, do vậy nó là cổng nghịch đảo logic của các cổng trên. Do vậy, các cổng có tiền tố N, như NOR, NAND và XNOR là phiên bản ngược lại của các cổng cơ sở trên.

Trong khi đó, cổng XOR lại là sự kết hợp của ba cổng AND, OR và NOT với nhau theo cách thiết lập đặc biệt. Đặc tính của cổng XOR là sẽ cho ra kết quả True (1) nếu một trong hai đầu vào là True (1). Nhưng nếu cả hai đầu vào của cổng XOR giống nhau, kết quả trả về sẽ là False (hay 0).

Chỉ làm mỗi việc bật tắt dòng điện, các bóng bán dẫn thực hiện việc tính toán như thế nào? - Ảnh 4.

Biểu tượng cổng XOR và XNOR cùng sơ đồ mạch điện của 2 cổng cơ bản này.

Làm toán bằng cổng logic như thế nào?

Kết hợp hai cổng logic trên, cùng với một mạch cộng toàn phần (full adder), bạn có thể thực hiện được phép tính cộng hai số nhị phân cơ bản.

Sơ đồ trên đây biểu diễn mạch cộng bán phần (half adder) với hai đầu vào A và B, cùng các XOR và cổng AND. Đầu vào A được bật lên trong khi đầu vào B đang tắt, tương tự như việc 1 và 0 được nhập vào phép tính cộng. Do chỉ có một trong hai đầu vào được bật lên, cổng XOR được bật lên và cho ra kết quả 1, còn cổng AND vẫn tắt khi chỉ có một trong hai đầu vào được bật lên.

Chỉ làm mỗi việc bật tắt dòng điện, các bóng bán dẫn thực hiện việc tính toán như thế nào? - Ảnh 5.

Sơ đồ mạch của mạch cộng bán phần Half Adders.

Lúc này, nếu bật cả hai đầu vào A và B, tương tự như việc nhập vào phép tính 1+1. Lúc này cổng XOR sẽ bị tắt đi còn cổng AND được bật lên vì cả hai đầu vào đều bật, trả ra kết quả đúng của phép tính 1+1=2, hay 10 trong hệ nhị phân.

Do một bit máy tính không thể lưu trữ giá trị nào lớn hơn 1, nên kết quả của phép tính sẽ được ghi vào 2 bit đầu ra. Bit SUM sẽ ghi chữ số 0 của kết quả trả về, còn ký tự 1 được ghi vào bit số dư Cin (Carry In) trong mạch cộng bán phần này.

Tuy thực hiện được phép tính 1+1=2, mạch cộng bán phần này lại không thể làm được gì khác với chỉ 2 bit đầu vào. Do vậy, để thực hiện được các phép tính phức tạp hơn, mạch cộng toàn phần (Full Adders) được thiết kế nên từ việc ghép các mạch cộng bán phần này lại với nhau.

Chỉ làm mỗi việc bật tắt dòng điện, các bóng bán dẫn thực hiện việc tính toán như thế nào? - Ảnh 6.

Sơ đồ mạch cộng toàn phần với 3 bit đầu vào, A, B và số dư Cin của mạch cộng bán phần trước đó.

Với thiết kế này, mạch cộng toàn phần sẽ có 3 đầu vào với hai số được nhập vào, cùng với số dư Cin của phép cộng bán phần trước. Khi nhiều mạch cộng được nối với nhau thành chuỗi, số dư Cin của mạch này sẽ được chuyển thành đầu vào cho mạch cộng kế tiếp.

Thiết kế này cho phép bộ xử lý thực hiện được các phép tính phức tạp hơn, nhờ việc bổ sung thêm các mạch bán cộng vào chuỗi này. Nhiều bit đầu vào hơn nghĩa là nhiều mạch cộng toàn phần hơn được thêm vào chuỗi.

Hầu hết các phép toán đều được hoàn thành nhờ việc bổ sung thêm các mạch vào chuỗi tính toán này. Phép tính nhân chỉ là phép cộng lặp đi lặp lại nhiều lần, còn phép trừ có thể thực hiện với các bit nghịch đảo thích hợp, còn phép tính chia là việc lặp lại của phép trừ. Ngoài ra, các bộ xử lý máy tính hiện đại đều có các giải pháp hỗ trợ bằng phần cứng để tăng tốc độ thực hiện các phép tính phức tạp hơn.

Chỉ làm mỗi việc bật tắt dòng điện, các bóng bán dẫn thực hiện việc tính toán như thế nào? - Ảnh 7.

Sơ đồ mạch với các cổng logic để thực hiện phép tính 2+3=5.

Các phép tính càng phức tạp, càng cần đến nhiều cổng logic để thực hiện, nghĩa là càng nhiều hơn các bóng bán dẫn. Đây cũng chính là lý do khiến các nhà thiết kế và phát triển chip cần các bóng bán dẫn nhỏ nhất có thể, để có thể nhồi nhét nhiều đến mức tối đa các bóng bán dẫn trong mỗi bộ xử lý có kích thước giới hạn.

Giới khoa học bất ngờ trước video chim biết dùng công cụ: một con hải âu dùng que để gãi ngứa

tinybook tinybook 3 tuần 5 ngày
Giới khoa học bất ngờ trước video chim biết dùng công cụ: một con hải âu dùng que để gãi ngứa
Tại sao con chim lại dùng que để gãi bụng, thay vì dùng mỏ của nó cho tiện?

Phát hiện hài cốt trẻ sơ sinh 2100 tuổi đội loại “mũ bảo hiểm” kì dị làm từ hộp sọ của đứa trẻ khác

tinybook tinybook 3 tuần 5 ngày
Phát hiện hài cốt trẻ sơ sinh 2100 tuổi đội loại “mũ bảo hiểm” kì dị làm từ hộp sọ của đứa trẻ khác
Các chuyên gia khảo cổ vừa phát hiện các bộ hài cốt trẻ sơ sinh đội 'mũ bảo hiểm' làm từ hộp sọ của những đứa trẻ khác có niên đại 2100 năm trước

Quỷ La Sát đáng sợ trong thần thoại Ấn Độ thực chất là giống người cổ đã bị tuyệt chủng cách đây 4 vạn năm

tinybook tinybook 3 tuần 5 ngày
Quỷ La Sát đáng sợ trong thần thoại Ấn Độ thực chất là giống người cổ đã bị tuyệt chủng cách đây 4 vạn năm
Loài quỷ La Sát trong thần thoại Ấn Độ thực chất chính là một giống người cổ đã bị tuyệt chủng, từng sống chung và hôn phối với loài người hiện đại chúng ta.

Tiết lộ "khủng" về hậu trường Mắt Biếc: Công nghệ 3 triệu USD tầm cỡ thế giới, trí tuệ nhân tạo và tự động hóa hoàn toàn

tinybook tinybook 3 tuần 6 ngày
Tiết lộ "khủng" về hậu trường Mắt Biếc: Công nghệ 3 triệu USD tầm cỡ thế giới, trí tuệ nhân tạo và tự động hóa hoàn toàn
Những chia sẻ từ Giám đốc Kỹ thuật Mắt Biếc đã cho thấy quy mô chi tiết của công nghệ tiên tiến áp dụng vào mọi góc cạnh sản xuất bộ phim.

Bí ẩn bao trùm hòn đảo cứ người lạ xâm phạm là bị tấn công đến chết cùng lời kể của người phụ nữ may mắn sống sót hé lộ chi tiết đáng sợ

tinybook tinybook 3 tuần 6 ngày
Bí ẩn bao trùm hòn đảo cứ người lạ xâm phạm là bị tấn công đến chết cùng lời kể của người phụ nữ may mắn sống sót hé lộ chi tiết đáng sợ
Hòn đảo hoàn toàn cách biệt với thế giới bên ngoài và bất khả xâm phạm. Bất kỳ ai tiến đến gần khu vực "nhạy cảm" này đều bị tấn công hoặc giết chết.

Làm thế nào mà máy chạy bộ biến từ dụng cụ tra tấn thành một máy tập thể dục đại chúng?

tinybook tinybook 3 tuần 6 ngày
Làm thế nào mà máy chạy bộ biến từ dụng cụ tra tấn thành một máy tập thể dục đại chúng?
Máy chạy bộ chả có gì xa lạ với chúng ta ngày nay, nhiều người luôn ao ước có thể mua một chiếc máy chạy bộ để trong nhà nhưng trên thực tế, trong quá khứ đây là là một loại dụng cụ tra tấn.

NASA công bố tàu thăm dò mới: phóng vào tháng Bảy năm sau, chưa có tên nhưng đã có trách nhiệm nặng nề - làm sứ mệnh tiền đề cho con người lên Sao Hỏa

tinybook tinybook 3 tuần 6 ngày
NASA công bố tàu thăm dò mới: phóng vào tháng Bảy năm sau, chưa có tên nhưng đã có trách nhiệm nặng nề - làm sứ mệnh tiền đề cho con người lên Sao Hỏa
Tàu thăm dò mới của NASA mang theo hai sứ mệnh: tìm kiếm sự sống, và dọn đường cho một dạng sống khác lên Sao Hoả.

Thế giới sẽ đối mặt với hàng loạt thảm họa nếu rừng Amazon cháy rụi: 90% bệnh tật không có thuốc chữa, 50% loài sinh vật bị tiêu diệt

tinybook tinybook 4 tuần 3 giờ
Thế giới sẽ đối mặt với hàng loạt thảm họa nếu rừng Amazon cháy rụi: 90% bệnh tật không có thuốc chữa, 50% loài sinh vật bị tiêu diệt
Trong năm 2019, chúng ta đã chứng kiến sự mất mát vô cùng to lớn của một bộ phận rừng Amazon do hỏa hoạn gây ra, kéo theo biết bao thảm cảnh. Nếu một ngày cánh rừng kỳ vĩ này hoàn toàn bị xóa sổ, rất có thể Trái đất sẽ phải đối mặt với những bi kịch còn ghê gớm hơn nhiều.

Tổng hợp và kiểm chứng những sự thật thú vị mà cộng đồng Reddit thường kể với cư dân mạng

tinybook tinybook 4 tuần 14 giờ
Tổng hợp và kiểm chứng những sự thật thú vị mà cộng đồng Reddit thường kể với cư dân mạng
Biết thêm kiến thức chưa bao giờ là thiệt đúng không?

Loài người thật may mắn vì những loài chim ăn thịt khổng lồ này đã tuyệt chủng

tinybook tinybook 4 tuần 15 giờ
Loài người thật may mắn vì những loài chim ăn thịt khổng lồ này đã tuyệt chủng
Thật may mắn cho nhân loại thời hiện đại vì những loài chim ăn thịt khổng lồ này đã bị tuyệt chủng, nếu không rất có thể chúng ta sẽ biến thành bữa ăn nhẹ của chúng bất cứ lúc nào.

Điều gì xảy ra nếu đường kính của Trái Đất tăng thêm 1 cm mỗi ngày?

tinybook tinybook 4 tuần 15 giờ
Điều gì xảy ra nếu đường kính của Trái Đất tăng thêm 1 cm mỗi ngày?
Nếu đường kính Trái Đất tăng thêm 1cm mỗi ngày thì khi nào vận mệnh của hành tinh xanh sẽ bị diệt vong?

[Vietsub] Ngôi làng Ấn Độ có tỷ lệ tội phạm bằng 0: nhà không cửa, cửa hiệu không khóa, 500 năm không hề có trộm cắp

tinybook tinybook 4 tuần 17 giờ
[Vietsub] Ngôi làng Ấn Độ có tỷ lệ tội phạm bằng 0: nhà không cửa, cửa hiệu không khóa, 500 năm không hề có trộm cắp
Bạn có muốn chuyển tới sống tại Shani Shingnapur, ngôi làng nhỏ chưa xảy ra trộm cắp suốt nửa thiên niên kỷ nay?

Nghiên cứu khoa học: Con người và chuối là họ hàng thân thiết, ADN giống nhau đến 50%?

tinybook tinybook 4 tuần 1 ngày
Nghiên cứu khoa học: Con người và chuối là họ hàng thân thiết, ADN giống nhau đến 50%?
Có thông tin cho rằng chuối có ADN giống người 50%. Nhưng sự thực có phải vậy không?

Những bức ảnh về các khu vực bí mật trên máy bay mà du khách không được phép bén mảng tới bao giờ

tinybook tinybook 4 tuần 1 ngày
Những bức ảnh về các khu vực bí mật trên máy bay mà du khách không được phép bén mảng tới bao giờ
Có những khu vực thậm chí hành khách còn không nghĩ là có tồn tại.

Giữa lúc bong bóng xe ô tô điện có thể sắp 'nổ tung', Trung Quốc đang gấp rút ra mắt chiếc xe hơi điện 'made in China' đầu tiên

tinybook tinybook 4 tuần 1 ngày
Giữa lúc bong bóng xe ô tô điện có thể sắp nổ tung, Trung Quốc đang gấp rút ra mắt chiếc xe hơi điện made in China đầu tiên
Theo dữ liệu từ Hiệp hội Công nghiệp ô tô Trung Quốc, số lượng xe sử dụng nguồn năng lượng mới được bán trong năm 2014 đã tăng gấp 4 lần so với năm trước và tiếp tục nhân lên hơn 4 lần trong năm 2015 với con số hơn 330.000 xe.

Phát hiện chưa từng có: Mưa tuyết bằng sắt đang rơi dồn dập bên trong lõi Trái Đất

tinybook tinybook 4 tuần 1 ngày
Phát hiện chưa từng có: Mưa tuyết bằng sắt đang rơi dồn dập bên trong lõi Trái Đất
Ở trong lòng Trái Đất cũng tồn tại một dạng ‘mưa tuyết’ đặc biệt, khác hoàn toàn với tuyết trên mặt đất.

Tuổi thọ của các loài động vật được định sẵn trong DNA, và loài người chỉ thọ 38 năm mà thôi

tinybook tinybook 4 tuần 1 ngày
Tuổi thọ của các loài động vật được định sẵn trong DNA, và loài người chỉ thọ 38 năm mà thôi
Loài người có tuổi thọ "tự nhiên" là khoảng 38 năm, theo một phương thức mới dùng để ước tính tuổi thọ của các chủng loài khác nhau dựa trên phân tích DNA.

Những bức "ảnh tự sướng" lâu đời nhất mọi thời đại

tinybook tinybook 4 tuần 1 ngày
Những bức "ảnh tự sướng" lâu đời nhất mọi thời đại
Mọi người đã chụp "ảnh tự sướng" từ rất lâu, nhưng tại thời điểm những bức ảnh này xuất hiện, chúng được gọi là "chân dung tự họa".

Nghiên cứu: Ăn uống điều độ, đúng bữa, đúng giờ giúp ngăn bệnh tiểu đường, huyết áp cao?

tinybook tinybook 4 tuần 1 ngày
Nghiên cứu: Ăn uống điều độ, đúng bữa, đúng giờ giúp ngăn bệnh tiểu đường, huyết áp cao?
Theo một nghiên cứu mới đây cho thấy, việc ăn uống trong một khoảng thời gian quy định có thể giúp giảm cân, cải thiện chất lượng giấc ngủ và chống huyết áp cao.

Tìm hiểu đôi nét về Antonov An-225, siêu máy bay vận tải được mệnh danh là “chú chim” lớn nhất bầu trời

tinybook tinybook 4 tuần 1 ngày
Tìm hiểu đôi nét về Antonov An-225, siêu máy bay vận tải được mệnh danh là “chú chim” lớn nhất bầu trời
Trong bài viết này, chúng ta sẽ cùng khám phá những điều thú vị xoay quanh chiếc máy bay vận tải lớn nhất thế giới hiện nay.

Những sự kiện lịch sử nghe có vẻ hư cấu nhưng lại hoàn toàn có thật

tinybook tinybook 4 tuần 1 ngày
Những sự kiện lịch sử nghe có vẻ hư cấu nhưng lại hoàn toàn có thật
Thế giới chúng ta đang sống là một nơi đầy rẫy những sự điên rồ và trải dài lịch sử nhân loại luôn có những câu chuyện lịch sử vô cùng lạ lùng, tưởng chừng như chúng hoàn toàn hư cấu.

Phát hiện tác phẩm nghệ thuật lâu đời nhất thế giới trong hang động ở Indonesia

tinybook tinybook 4 tuần 1 ngày
Phát hiện tác phẩm nghệ thuật lâu đời nhất thế giới trong hang động ở Indonesia
Bức tranh trong vách hang Leang Bulu' Sipong trên đảo Sulawesi của Indonesia có thể sẽ là tác phẩm nghệ thuật lâu đời nhất thế giới, sau khi giới khoa học xác định bức vẽ này đã tồn tại gần 44.000 năm.

Khám phá ngôi đền cổ 1.200 năm tuổi được tạc từ duy nhất một khối đá siêu to khổng lồ

tinybook tinybook 4 tuần 2 ngày
Khám phá ngôi đền cổ 1.200 năm tuổi được tạc từ duy nhất một khối đá siêu to khổng lồ
Ngôi đền Hindu cổ 1.200 năm tuổi này được chạm khắc từ duy nhất một khối đá khiến cho nhiều người cảm thấy kinh ngạc và cho rằng có lẽ nó không được tạo ra từ bàn tay của con người.

Các nhà khoa học đã tìm ra giải pháp giúp bia có nhiều bọt hơn và bột giặt ít bọt đi

tinybook tinybook 4 tuần 2 ngày
Các nhà khoa học đã tìm ra giải pháp giúp bia có nhiều bọt hơn và bột giặt ít bọt đi
Thông qua một nghiên cứu về cách hình thành bọt và tuổi thọ bọt, các nhà nghiên cứu đã tìm ra cách để giữ được bọt tồn tại lâu hơn hoặc khắc chế không cho bọt xuất hiện quá nhiều khi cần thiết.

Đi tìm lời giải cho những đường hầm đá bí ẩn tại Nam Mỹ, đầy dấu vết móng vuốt của một loài thú khổng lồ

tinybook tinybook 1 tháng 6 giờ
Đi tìm lời giải cho những đường hầm đá bí ẩn tại Nam Mỹ, đầy dấu vết móng vuốt của một loài thú khổng lồ
Tại Nam Mỹ, có những đường hầm đá khổng lồ không phải là dấu vết của kiến tạo tự nhiên, cũng không phải do bàn tay của con người tạo ra, thay vào đó, chúng tồn tại rất nhiều dấu vết của móng vuốt.

Xưởng sản xuất khuôn giày thủ công có lịch sử hơn 100 năm tại Nhật Bản phải đóng cửa vì không theo kịp công nghệ in 3D

tinybook tinybook 1 tháng 6 giờ
Xưởng sản xuất khuôn giày thủ công có lịch sử hơn 100 năm tại Nhật Bản phải đóng cửa vì không theo kịp công nghệ in 3D
Cái kết buồn cho một xưởng sản xuất thủ công với lịch sử hết sức lâu đời của Nhật Bản

Dùng thiết bị lặn khám phá đáy đại dương tăm tối, tình cờ phát hiện loài cá kì lạ có thể đứng bằng 'chân'

tinybook tinybook 1 tháng 7 giờ
Dùng thiết bị lặn khám phá đáy đại dương tăm tối, tình cờ phát hiện loài cá kì lạ có thể đứng bằng chân
Dài tới 1,5m, nặng gần 50kg, loài cá hiếm này có lớp vây rất khỏe, có thể sử dụng để di chuyển dưới đáy biển như bàn chân của động vật trên cạn

“Công nghệ Giọng nói” Bước ngoặt trải nghiệm người dùng thời đại số

tinybook tinybook 1 tháng 13 giờ
“Công nghệ Giọng nói” Bước ngoặt trải nghiệm người dùng thời đại số
Khi cuộc cách mạng công nghệ thời giao tiếp bằng giọng nói hoàn tất cũng là lúc bất kỳ ai trong chúng ta đều có thể trải nghiệm những thiết bị thông minh bằng chính giọng nói của mình.

Anh em shipper bên Mỹ lập hẳn group Facebook về những chú chó mà họ gặp hàng ngày khi đang giao hàng

tinybook tinybook 1 tháng 16 giờ
Anh em shipper bên Mỹ lập hẳn group Facebook về những chú chó mà họ gặp hàng ngày khi đang giao hàng
Vào năm 2013, những tài xế của UPS Sean McCarren đã tạo ra một nhóm Facebook để kể về những người bạn 4 chân mà họ gặp trên các tuyến đường hàng ngày mà họ đi giao hàng.

Loài chim di cư có thực sự là do chúng sợ lạnh?

tinybook tinybook 1 tháng 1 ngày
Loài chim di cư có thực sự là do chúng sợ lạnh?
Chim di trú, chim di cư hay sự di cư của chim chỉ sự di chuyển đều đặn theo mùa, thường trên một đường bay theo chiều bắc nam giữa nơi sinh sản và nơi trú đông. Nhiều loài chim có tập tính di cư, nhưng thực sự quá trình thay đổi chỗ ở này có phải là do chúng sợ lạnh?
tinybook Công Nghệ Thông Tin








Chat