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.

Bầu khí quyển của Trái Đất thay vì 5 lớp thì vẫn còn một lớp nữa mà bạn chưa hề biết tới

tinybook tinybook 1 tháng 2 tuần
Bầu khí quyển của Trái Đất thay vì 5 lớp thì vẫn còn một lớp nữa mà bạn chưa hề biết tới
Nó có thể là khó tin, nhưng đối với một phần nào đó của bầu khí quyển, nghiên cứu khoa học vẫn chưa được thực hiện.

Sẽ thế nào khi rau được trồng trong nhà máy, bằng robot, AI và thế hệ nông dân 4.0?

tinybook tinybook 1 tháng 2 tuần
Sẽ thế nào khi rau được trồng trong nhà máy, bằng robot, AI và thế hệ nông dân 4.0?
Hơn 1.600 công ty khởi nghiệp đã đầu tư 1,8 tỷ USD vào các nông trại thẳng đứng trong vòng 1 thập kỷ qua.

Thuộc hệ “chăm săn sale” phải nằm lòng chiêu này, vừa sắm được hàng ngon vừa bảo toàn lương đầu tháng!

tinybook tinybook 1 tháng 2 tuần
Thuộc hệ “chăm săn sale” phải nằm lòng chiêu này, vừa sắm được hàng ngon vừa bảo toàn lương đầu tháng!
Cứ mỗi dịp đầu tháng, các chương trình giảm giá khởi động thì cũng là lúc các tín đồ mua sắm khoe chiến tích săn sale và chia sẻ cách mua thế nào được hưởng được lợi nhiều nhất.

Warner Bros. hé lộ loạt chi tiết mới trong Godzilla vs. Kong: Hết đánh trên bờ lại lôi nhau xuống biển, chắc chắn có kẻ bại trận, không có chuyện giảng hòa

tinybook tinybook 1 tháng 2 tuần
Warner Bros. hé lộ loạt chi tiết mới trong Godzilla vs. Kong: Hết đánh trên bờ lại lôi nhau xuống biển, chắc chắn có kẻ bại trận, không có chuyện giảng hòa
Được biết, tổng thời lượng các phân cảnh đối đầu giữa Godzilla và Kong sẽ lên đến gần 20 phút trong bom tấn này, dự kiến ra mắt vào ngày 31/3 tới đây.

Chính xác thì B.1.1.7 là "dòng", "biến chủng" hay "biến thể" của virus SARS-CoV-2?

tinybook tinybook 1 tháng 2 tuần
Chính xác thì B.1.1.7 là "dòng", "biến chủng" hay "biến thể" của virus SARS-CoV-2?
Các nhà sinh học rất muốn báo chí và công chúng sử dụng đúng thuật ngữ chuyên môn của họ.

TopCV - Nền tảng công nghệ tuyển dụng “sát cánh” cùng nhà tuyển dụng

tinybook tinybook 1 tháng 2 tuần
TopCV - Nền tảng công nghệ tuyển dụng “sát cánh” cùng nhà tuyển dụng
Sự phát triển của các nền tảng tuyển dụng đang là cơ hội giúp nhà tuyển dụng tiếp cận được ứng viên dễ dàng hơn và TopCV đang là trở thành sự lựa chọn hàng đầu.

Những diễn viên từng sử dụng công nghệ trẻ hóa để “cưa sừng làm nghé” không hề giả trân trong các bom tấn của Hollywood

tinybook tinybook 1 tháng 2 tuần
Những diễn viên từng sử dụng công nghệ trẻ hóa để “cưa sừng làm nghé” không hề giả trân trong các bom tấn của Hollywood
Với công nghệ de-aging, các diễn viên sẽ được trẻ hóa một cách đơn giản hơn, chân thực hơn thay vì dành hàng tiếng đồng hồ cho khâu trang điểm và lựa chọn trang phục.

WandaVision: Lý giải về Chaos Magic, ma thuật khủng khiếp của Scarlet Witch với khả năng thay đổi bản chất thực tại

tinybook tinybook 1 tháng 2 tuần
WandaVision: Lý giải về Chaos Magic, ma thuật khủng khiếp của Scarlet Witch với khả năng thay đổi bản chất thực tại
Tập phim mới nhất của WandaVision đã chính thức mang đến khái niệm về Chaos Magic - 1 trong những nguồn sức mạnh lâu đời và khủng khiếp nhất trong nguyên tác truyện tranh Marvel.

Thí nghiệm với hai người mất xúc giác chứng minh thế giới chúng ta đang sống không phải là thực tại ảo

tinybook tinybook 1 tháng 2 tuần
Thí nghiệm với hai người mất xúc giác chứng minh thế giới chúng ta đang sống không phải là thực tại ảo
Tất cả chúng ta không phải là những bộ não bị nhúng trong bình thủy tinh.

Warner Bros. xác nhận sẽ "đập đi xây lại" Superman, Henry Cavill sắp bị cho ra rìa?

tinybook tinybook 1 tháng 2 tuần
Warner Bros. xác nhận sẽ "đập đi xây lại" Superman, Henry Cavill sắp bị cho ra rìa?
Warner Bros. đã công bố dự án Superman reboot do J.J. Abrams sản xuất, và có thể Henry Cavill sẽ không phải cái tên cho vai chính mà họ đang nhắm đến.

Những con kênh nổi tiếng của Venice đang cạn nước: Hậu quả của biến đổi khí hậu?

tinybook tinybook 1 tháng 2 tuần
Những con kênh nổi tiếng của Venice đang cạn nước: Hậu quả của biến đổi khí hậu?
Triều cường đã rút cạn các con kênh của thành phố được mệnh danh là lãng mạn nhất châu Âu.

Zulihome - Điểm đến tin cậy cho gia đình Việt muốn mua robot hút bụi thông minh

tinybook tinybook 1 tháng 2 tuần
Zulihome - Điểm đến tin cậy cho gia đình Việt muốn mua robot hút bụi thông minh
Ngay từ khi thành lập và phát triển, Zulihome đã chứng minh được sự uy tín với khách hàng bằng việc cung cấp robot hút bụi thông minh chính hãng từ các thương hiệu nổi tiếng.

Mày mò tìm kiếm ở thành phố diệt vong Pompeii, các nhà khoa học sửng sốt khi khám phá ra thứ "độc nhất vô nhị" vô cùng quý giá

tinybook tinybook 1 tháng 2 tuần
Mày mò tìm kiếm ở thành phố diệt vong Pompeii, các nhà khoa học sửng sốt khi khám phá ra thứ "độc nhất vô nhị" vô cùng quý giá
Một cỗ xe ngựa 2.000 năm tuổi của người La Mã đã được phát hiện "gần như nguyên vẹn" ở ngoại ô thành phố diệt vong Pompeii.

Những sự thật thú vị và cực dị về Gollum, nhân vật độc đáo nhất của Lord of the Rings cũng như nền văn hóa đại chúng thế giới

tinybook tinybook 1 tháng 2 tuần
Những sự thật thú vị và cực dị về Gollum, nhân vật độc đáo nhất của Lord of the Rings cũng như nền văn hóa đại chúng thế giới
Ra đời vào năm 1937 dưới ngòi bút của nhà văn J. R. R. Tolkien trong bộ tiểu thuyết The Hobbit, Gollum có thể coi là 1 nhân vật cực kỳ khác biệt và trở thành nét đặc trưng ấn tượng khó phai trong vũ trụ Lord of the Rings rộng lớn.

WandaVision: Sức mạnh của Wanda là bẩm sinh, không liên quan đến Mind Stone, X-Men đang ở gần MCU hơn bao giờ hết

tinybook tinybook 1 tháng 2 tuần
WandaVision: Sức mạnh của Wanda là bẩm sinh, không liên quan đến Mind Stone, X-Men đang ở gần MCU hơn bao giờ hết
Tập phim mới nhất của WandaVision đã hé lộ nguồn gốc sức mạnh của Wanda Maximoff, và nó không bắt nguồn từ Mind Stone như chúng ta vẫn lầm tưởng.

[CHÍNH THỨC] 9 nhóm đối tượng ưu tiên và miễn phí tiêm vaccine COVID-19

tinybook tinybook 1 tháng 2 tuần
[CHÍNH THỨC] 9 nhóm đối tượng ưu tiên và miễn phí tiêm vaccine COVID-19
Nghị quyết số 21/NQ-CP ngày 26/2/2021 về mua và sử dụng vaccine phòng COVID-19 nêu rõ 9 nhóm đối tượng ưu tiên tiêm và miễn phí.

Thủ đô Anh Quốc đột nhiên thành "vương quốc chuột", to khổng lồ và nhiều gấp đôi con người: Tại sao có chuyện đó?

tinybook tinybook 1 tháng 2 tuần
Thủ đô Anh Quốc đột nhiên thành "vương quốc chuột", to khổng lồ và nhiều gấp đôi con người: Tại sao có chuyện đó?
Người London có thể sẽ sốc khi chứng kiến chuột xuất hiện ở những nơi chưa từng thấy. Lại còn là chuột khổng lồ.

Kinh dị chuyện nhà vệ sinh công cộng thời La Mã, nơi tất cả mọi người chùi chung bằng 1 cái que

tinybook tinybook 1 tháng 2 tuần
Kinh dị chuyện nhà vệ sinh công cộng thời La Mã, nơi tất cả mọi người chùi chung bằng 1 cái que
Đó là một cái que buộc bọt biển được 500 anh em truyền tay nhau chùi đến lúc hỏng thì thôi...

Điệp viên nghỉ hưu kể chuyện nghề: Hóa ra những gì chúng ta xem trên phim lâu nay thực sự tồn tại, thậm chí đôi khi còn thú vị hơn thế

tinybook tinybook 1 tháng 2 tuần
Điệp viên nghỉ hưu kể chuyện nghề: Hóa ra những gì chúng ta xem trên phim lâu nay thực sự tồn tại, thậm chí đôi khi còn thú vị hơn thế
Điệp viên chắc chắn là một trong những nghề thú vị, đặc biệt, nguy hiểm và khiến mọi người tò mò bậc nhất thế giới.

Siêu thị tại Hà Lan bị doạ tẩy chay vì bán phở Việt “fake”: Trông chẳng khác gì mì trộn, sợi vàng như nghệ, ăn kèm sốt thịt gà

tinybook tinybook 1 tháng 2 tuần
Siêu thị tại Hà Lan bị doạ tẩy chay vì bán phở Việt “fake”: Trông chẳng khác gì mì trộn, sợi vàng như nghệ, ăn kèm sốt thịt gà
Nhiều khách hàng bức xúc khi nhìn thấy món phở "quốc hồn quốc tuý" của Việt Nam bị chế tạo theo một phiên bản hoàn toàn khác, thậm chí họ còn kêu gọi tẩy chay chuỗi siêu thị này.

Bill Gates, vắc xin và những chiếc khẩu trang

tinybook tinybook 1 tháng 2 tuần
Bill Gates, vắc xin và những chiếc khẩu trang
Dù đã được tiêm vắc xin chống Covid-19 nhưng tỷ phú từ thiện Bill Gates nói rằng ông vẫn tiếp tục đeo khẩu trang, nhất là khi ở gần những người cao tuổi chưa được tiêm phòng.

"Soi" Joker của Justice League: Đổi giọng, che hình xăm để "lột xác" từ trong ra ngoài

tinybook tinybook 1 tháng 2 tuần
"Soi" Joker của Justice League: Đổi giọng, che hình xăm để "lột xác" từ trong ra ngoài
Snyder đã hé lộ tạo hình đầu tiên về Joker trong đoạn trailer mới ra mắt. Không quá lời khi cho rằng Justice League của Snyder có cách tiếp cận hoàn toàn mới về nhân vật này. Sự lột xác này mạnh mẽ đến mức nào?

Đây là cây đinh ba của Aquaman với khả năng phóng nước cực đỉnh, dùng để rửa bát siêu sạch

tinybook tinybook 1 tháng 2 tuần
Đây là cây đinh ba của Aquaman với khả năng phóng nước cực đỉnh, dùng để rửa bát siêu sạch
Không quá bá đạo như nguyên tác truyện tranh, nhưng cây đinh ba của Aquaman này hoàn toàn có thể sử dụng để rửa bát, rửa ô tô hay đấu súng nước với bạn bè.

Bóng tối phía sau ngành công nghiệp anime tỷ USD của Nhật Bản

tinybook tinybook 1 tháng 2 tuần
Bóng tối phía sau ngành công nghiệp anime tỷ USD của Nhật Bản
Đại dịch thúc đẩy sự bùng nổ của ngành công nghiệp anime Nhật Bản. Nhưng dù khối lượng công việc và lợi nhuận của ngành tăng lên, các họa sĩ diễn hoạt vẫn nhận mức lương ít ỏi.

[Video] Hé lộ loạt kỹ xảo đỉnh cao giúp Lord of the Rings vẫn đẹp lung linh, không hề "out meta" so với phim ngày nay

tinybook tinybook 1 tháng 2 tuần
[Video] Hé lộ loạt kỹ xảo đỉnh cao giúp Lord of the Rings vẫn đẹp lung linh, không hề "out meta" so với phim ngày nay
Dù đã 2 thập kỷ trôi qua nhưng những kỹ xảo trong bộ 3 phim The Lord of the Rings vẫn cứ là đẹp mê hồn và không hề bị lép vế so với các tác phẩm hiện tại

WandaVision: Những đoạn quảng cáo vô thưởng vô phạt, vô vị vô duyên hóa ra lại liên quan rất mật thiết đến Wanda

tinybook tinybook 1 tháng 2 tuần
WandaVision: Những đoạn quảng cáo vô thưởng vô phạt, vô vị vô duyên hóa ra lại liên quan rất mật thiết đến Wanda
Những đoạn quảng cáo trong WandaVision có thể coi là easter egg nhỏ liên quan đến quá khứ, hiện tại và cả tương lai của nữ pháp sư quyền năng Wanda Maximoff.

Trailer Army of the Dead lên sóng: Mãn nhãn với phi vụ cướp nhà băng gay cấn giữa trung tâm đại dịch zombie

tinybook tinybook 1 tháng 2 tuần
Trailer Army of the Dead lên sóng: Mãn nhãn với phi vụ cướp nhà băng gay cấn giữa trung tâm đại dịch zombie
Dưới bàn tay của đạo diễn Zack Snyder, Army of the Dead sẽ là 1 luồng gió mới lạ cho dòng phim zombie vốn đã quá quen thuộc với khán giả thế giới.

Bí mật ẩn sau 6 chiếc ghế luôn 'cháy vé' của hãng hàng không Singapore Airlines

tinybook tinybook 1 tháng 2 tuần
Bí mật ẩn sau 6 chiếc ghế luôn cháy vé của hãng hàng không Singapore Airlines
Không phải hạng ghế thương gia, trên chiếc Airbus A350-900ULR của hãng Singapore Airline luôn có 6 chỗ ngồi được các hành khách tranh giành nhau mỗi khi đặt chỗ.

Dàn diễn viên Spider-Man hé lộ tên phần phim tiếp theo: Mỗi người 1 tiêu đề, không rõ là đang troll khán giả hay "tung thính" cho đa vũ trụ

tinybook tinybook 1 tháng 2 tuần
Dàn diễn viên Spider-Man hé lộ tên phần phim tiếp theo: Mỗi người 1 tiêu đề, không rõ là đang troll khán giả hay "tung thính" cho đa vũ trụ
Chưa ra mắt nhưng Spider-Man 3 đã biết cách "bắt lú" fan hâm mộ rồi.

WandaVision: Cô hàng xóm thân thiện Agnes hiện nguyên hình phản diện, nhưng nhiều khả năng vẫn chưa phải trùm cuối

tinybook tinybook 1 tháng 2 tuần
WandaVision: Cô hàng xóm thân thiện Agnes hiện nguyên hình phản diện, nhưng nhiều khả năng vẫn chưa phải trùm cuối
Cú twist đến sái cổ trong tập mới nhất của WandaVision đã hé lộ Agnes thực chất chính là phù thủy Agatha Harkness, nhưng rất có thể đằng sau đó vẫn còn 1 thế lực đen tối khác đang giật dây để phá hoại cuộc đời của Wanda.
tinybook Công Nghệ Thông Tin








Chat