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.

Musk lo ngại dự án DeepMind và "sự ngạo mạn" của những người thông minh sẽ cho phép AI thống trị loài người

tinybook tinybook 1 tháng 4 tuần
Musk lo ngại dự án DeepMind và "sự ngạo mạn" của những người thông minh sẽ cho phép AI thống trị loài người
Một lần nữa Elon Musk nêu lên lo lắng của mình về các hệ thống trí tuệ nhân tạo, vốn được cho là sẽ thay đổi cuộc sống con người theo chiều hướng tốt.

Tin vui: Huấn luyện thành công chó đánh hơi được người nhiễm COVID-19, tỷ lệ chính xác cực cao

tinybook tinybook 2 tháng 3 giờ
Tin vui: Huấn luyện thành công chó đánh hơi được người nhiễm COVID-19, tỷ lệ chính xác cực cao
Nếu được huấn luyện đúng cách, chó có thể phân biệt được mẫu nước bọt của người bị nhiễm SARS-CoV-2 và người không bị nhiễm, với tỷ lệ chính xác lên tới 94%.

Các nhà khoa học cuối cùng đã tìm ra điều gì làm cho coronavirus trở nên nguy hiểm

tinybook tinybook 2 tháng 10 giờ
Các nhà khoa học cuối cùng đã tìm ra điều gì làm cho coronavirus trở nên nguy hiểm
Hóa ra tác nhân gây bệnh đã ngụy trang sau khi lây nhiễm tế bào để ngăn chặn phản ứng nhanh chóng từ hệ thống miễn dịch của cơ thể.

The New York Times tiếp tục đăng tải một bài báo nữa cho thấy thêm bằng chứng về việc người ngoài hành tinh tồn tại

tinybook tinybook 2 tháng 1 ngày
The New York Times tiếp tục đăng tải một bài báo nữa cho thấy thêm bằng chứng về việc người ngoài hành tinh tồn tại
Nếu đúng là họ tới thăm ta thật, thì có lẽ nên tránh thời điểm 2020 này ra. Người Trái Đất đang có nhiều chuyện phải lo lắm rồi, không đủ thời giờ đón tiếp khách tới từ phương xa đâu.

Điều gì sẽ xảy ra nếu Oxy trên Trái Đất đột nhiên biến mất trong vòng 5 giây?

tinybook tinybook 2 tháng 1 ngày
Điều gì sẽ xảy ra nếu Oxy trên Trái Đất đột nhiên biến mất trong vòng 5 giây?
Việc Oxy biến mất trong vòng 5 giây cũng đủ khiến cho nhiều thứ trở nên bất thường, thậm chí khiến loài người cũng như toàn bộ các sinh vật khác đi đến kết cục diệt vong

Một quả bom hạt nhân đã được dùng để xử lý đám cháy 'không thể dập tắt' như thế nào?

tinybook tinybook 2 tháng 1 ngày
Một quả bom hạt nhân đã được dùng để xử lý đám cháy không thể dập tắt như thế nào?
Một vụ cháy lớn đã xảy ra bên trong một mỏ khí đốt ở Liên Xô và kéo dài tới 3 năm, mọi nỗ lực dập lửa thông thường đều thất bại cho tới khi quả bom hạt nhân được đưa tới.

Ở Nam Cực, có loài chim cánh cụt "đại tiện" ra đường phân dài tới 1,34 mét

tinybook tinybook 2 tháng 1 ngày
Ở Nam Cực, có loài chim cánh cụt "đại tiện" ra đường phân dài tới 1,34 mét
Nếu có dịp tới chơi Nam Cực mùa chim cánh cụt ấp trứng, bạn hãy dè chừng những đường dung dịch trắng nhờ bắn ra từ tổ chim nhé.

"Động vật có vú nào cũng mất khoảng 12 giây để đi vệ sinh" - nghiên cứu khoa học chứng minh điều thô nhưng thật

tinybook tinybook 2 tháng 1 ngày
"Động vật có vú nào cũng mất khoảng 12 giây để đi vệ sinh" - nghiên cứu khoa học chứng minh điều thô nhưng thật
Ăn vào thì phải thải ra thôi mà!

Dòng chảy bùn đen bạn đang nhìn thấy là thật 100% dù nhìn như quái vật từ phim kinh dị

tinybook tinybook 2 tháng 2 ngày
Dòng chảy bùn đen bạn đang nhìn thấy là thật 100% dù nhìn như quái vật từ phim kinh dị
Và chúng cũng nguy hiểm không kém gì những con quái vật trong phim ảnh.

Các nhà khoa học tiến hành nghiên cứu những "hố xanh" nằm dưới đáy đại dương, phát hiện ra được nhiều điều thú vị

tinybook tinybook 2 tháng 3 ngày
Các nhà khoa học tiến hành nghiên cứu những "hố xanh" nằm dưới đáy đại dương, phát hiện ra được nhiều điều thú vị
Tháng tới và tháng Năm/2021, các nhà khoa học sẽ tiến hành thám hiểm một hố xanh nữa ngoài khơi Florida.

Một chú vẹt đả bại 21 sinh viên Harvard trong một trò chơi về trí nhớ

tinybook tinybook 2 tháng 3 ngày
Một chú vẹt đả bại 21 sinh viên Harvard trong một trò chơi về trí nhớ
Loài vẹt xám châu Phi (Psittacus erithacus) có nhiều khả năng như sống hơn 50 năm, ghi nhớ nhiều từ tiếng Anh, và nếu có cơ hội, có thể chiến thắng cả một nhóm sinh viên Harvard trong trò chơi về trí nhớ.

Câu chuyện đau lòng về Genie, đứa trẻ biến thành "người rừng" không bao giờ học được cách giao tiếp

tinybook tinybook 2 tháng 3 ngày
Câu chuyện đau lòng về Genie, đứa trẻ biến thành "người rừng" không bao giờ học được cách giao tiếp
Genie là một trong những đứa trẻ bất hạnh nhất trong lịch sử của Hoa Kỳ, cô bé bị lạm dụng nghiêm trọng tới mức giống với "người rừng" hơn là một đứa trẻ bình thường.

Những lầm tưởng về thực phẩm và nấu ăn mà ai cũng mắc không ít thì nhiều

tinybook tinybook 2 tháng 4 ngày
Những lầm tưởng về thực phẩm và nấu ăn mà ai cũng mắc không ít thì nhiều
Mặc dù nấu ăn là một trong những kỹ năng cơ bản cũng như cổ xưa nhất của con người, nhưng nó vẫn chứa đầy hàng tá huyền thoại và các quan niệm sai lầm.

Du thuyền siêu sang làm bằng carbon tổng hợp và kính chống đạn

tinybook tinybook 2 tháng 4 ngày
Du thuyền siêu sang làm bằng carbon tổng hợp và kính chống đạn
Siêu nhẹ, siêu bền và cực kỳ mạnh mẽ là những từ có thể dùng để miêu tả chiếc du thuyền sang trọng này.

Bill Gates không hiểu thuyết âm mưu "cài vi chip vào người thông qua vắc-xin Covid-19" từ đâu ra, tiếp tục bác bỏ cáo buộc vô lý trên truyền hình

tinybook tinybook 2 tháng 4 ngày
Bill Gates không hiểu thuyết âm mưu "cài vi chip vào người thông qua vắc-xin Covid-19" từ đâu ra, tiếp tục bác bỏ cáo buộc vô lý trên truyền hình
Tin đồn không căn cứ nhưng vẫn khiến nhiều lần Bill Gates và nhiều bên khác lên tiếng đính chính.

Đợt sóng nhiệt lớn tại Siberia khiến biển biển băng Bắc Cực tan với tốc độ đáng lo ngại

tinybook tinybook 2 tháng 4 ngày
Đợt sóng nhiệt lớn tại Siberia khiến biển biển băng Bắc Cực tan với tốc độ đáng lo ngại
Thời tiết Siberia lúc này chẳng khác gì khu vực cận xích đạo trong một ngày hè oi ả.

Canada phát hiện ra loài khủng long bay mới, có kích thước tương đương một chiếc máy bay nhỏ

tinybook tinybook 2 tháng 4 ngày
Canada phát hiện ra loài khủng long bay mới, có kích thước tương đương một chiếc máy bay nhỏ
Các nhà cổ sinh vật học Canada gần đây đã phát hiện và đã đặt tên cho một loài Pterizard mới với sải cánh dài tới 10 mét.

Machimosaurus rex: Loài cá sấu nước mặn to lớn nhất từng được con người phát hiện

tinybook tinybook 2 tháng 5 ngày
Machimosaurus rex: Loài cá sấu nước mặn to lớn nhất từng được con người phát hiện
Machimosaurus là một chi thuộc họ Teleosauridae sống vào thời kỳ Jura muộn. Hóa thạch của chúng được tìm thấy ở Morocco, Thụy Sĩ. Các hóa thạch khác được tìm thấy ở Anh, Pháp, Đức, và Bồ Đào Nha.

Nhóm bạn dùng trực thăng để tái hiện lại hình nền ấn tượng của macOS Big Sur

tinybook tinybook 2 tháng 5 ngày
Nhóm bạn dùng trực thăng để tái hiện lại hình nền ấn tượng của macOS Big Sur
Nếu không có chú thích đầy đủ, có lẽ bạn sẽ không thể biết được ảnh nào của Apple, ảnh nào được nhóm “nhại” lại.

Đón đầu xu hướng "công nghệ không dây" mới nhất

tinybook tinybook 2 tháng 5 ngày
Đón đầu xu hướng "công nghệ không dây" mới nhất
Cuộc sống chúng ta đang trở nên hiện đại hơn nhờ vào những tiến bộ của khoa học công nghệ. Bên cạnh đó, xu thế “không dây hóa” ngày càng phát triển và hoàn thiện giúp cuộc sống dần nên dễ dàng hơn, tiện lợi hơn và đang trở thành một xu thế tất yếu với mọi người.

Vô tình đào được cục đá kỳ lạ ngay sau vườn nhà, 31 năm sau mới biết đây là "báu vật" ngoài Trái Đất

tinybook tinybook 2 tháng 5 ngày
Vô tình đào được cục đá kỳ lạ ngay sau vườn nhà, 31 năm sau mới biết đây là "báu vật" ngoài Trái Đất
Sau khi thử bằng nam châm và phát hiện cục đá có chứa sắt, một người đàn ông đã bỏ xó nó trong vườn mà không biết rằng mình vừa đào được mảnh thiên thạch có kích thước lớn nhất nhất nước Đức.

NASA: tiểu hành tinh đường kính 200m và 4 thiên thể khác sẽ lần lượt ngang Trái Đất trong ngày những ngày cuối tháng Bảy này

tinybook tinybook 2 tháng 6 ngày
NASA: tiểu hành tinh đường kính 200m và 4 thiên thể khác sẽ lần lượt ngang Trái Đất trong ngày những ngày cuối tháng Bảy này
Cơ quan hàng không vũ trụ Mỹ NASA đã đưa ra cảnh báo về tiểu hành tinh 2020 ND sẽ tiến gần vào Trái Đất ngày 24/7.

Thợ sửa máy photocopy tiết lộ chiêu gián điệp 'độc nhất vô nhị' của CIA thời Chiến tranh Lạnh

tinybook tinybook 2 tháng 6 ngày
Thợ sửa máy photocopy tiết lộ chiêu gián điệp độc nhất vô nhị của CIA thời Chiến tranh Lạnh
Một chiếc máy photocopy vô cùng đơn giản của hãng Xerox nằm bên trong Đại sứ quán Liên Xô ở Washington DC đã trở thành lỗ hổng bảo mật và được Cơ quan Tình báo Trung Ương Mỹ phát hiện và khai thác.

Gấu trắng Bắc Cực sắp biến mất vĩnh viễn khỏi Trái Đất

tinybook tinybook 2 tháng 6 ngày
Gấu trắng Bắc Cực sắp biến mất vĩnh viễn khỏi Trái Đất
Gấu trắng Bắc Cực có thể đối diện với nguy cơ bị tuyệt chủng vào cuối thể kỷ 21, theo một nghiên cứu vừa đăng tải trên tạp chí uy tín Nature Climate Change.

Cùng lúc xuất hiện hai đột phá trong ngành pin Mặt Trời: vừa có vật liệu mới, vừa tạo ra điện năng từ "ánh sáng vô hình"

tinybook tinybook 2 tháng 6 ngày
Cùng lúc xuất hiện hai đột phá trong ngành pin Mặt Trời: vừa có vật liệu mới, vừa tạo ra điện năng từ "ánh sáng vô hình"
Chúng ta vẫn chưa tối ưu hóa được công nghệ năng lượng Mặt Trời đâu, vẫn còn những khoảng trống lớn để khám phá!

Bí mật được hé lộ từ... cục phân 14.000 năm tuổi: Cuối cùng một trong những bí ẩn lớn nhất của loài người đã được giải đáp

tinybook tinybook 2 tháng 6 ngày
Bí mật được hé lộ từ... cục phân 14.000 năm tuổi: Cuối cùng một trong những bí ẩn lớn nhất của loài người đã được giải đáp
Một câu hỏi gây tranh cãi lớn cho giới khoa học suốt nhiều thập kỷ qua đã được giải đáp, tất cả là nhờ... cục phân này.

Các nhà khoa học phát hiện Châu Phi đang tách ra làm đôi, sắp sửa hình thành một đại dương mới?

tinybook tinybook 2 tháng 1 tuần
Các nhà khoa học phát hiện Châu Phi đang tách ra làm đôi, sắp sửa hình thành một đại dương mới?
Nghiên cứu mới nhất từ các nhà khoa học cho thấy, những hoạt động địa chất phức tạp của ba mảng kiến tạo xung quanh châu Phi, vốn đang di chuyển dần xa nhau ra, sẽ phân tách châu lục này thành hai phần và tạo ra một đại dương mới trong hàng triệu năm nữa.

Lần đầu tiên trong lịch sử, các nhà thiên văn học quan sát được 1 hố đen vừa "chớp mắt"

tinybook tinybook 2 tháng 1 tuần
Lần đầu tiên trong lịch sử, các nhà thiên văn học quan sát được 1 hố đen vừa "chớp mắt"
Quầng hào quang của hố đen này đã lịm tắt trước khi bừng sáng rực rỡ trở lại chỉ trong vỏn vẹn 40 ngày, 1 điều mà giới khoa học chưa từng quan sát được trước đây.

Phát hiện ra xác ướp khủng long có dấu chân hình móng ngựa tại Hoa Kỳ

tinybook tinybook 2 tháng 1 tuần
Phát hiện ra xác ướp khủng long có dấu chân hình móng ngựa tại Hoa Kỳ
Edmontosaurus là một loài khủng long ăn có khá quen thuộc, nhưng với việc phát hiện ra xác ướp của loài này, giới cổ sinh vật học đã biết thêm được thông tin chúng có chân giống với hình móng ngựa.

Vách đá kỳ quái cứ 30 năm lại "đẻ trứng" một lần, các nhà khoa học đau đầu đi tìm lời giải đáp

tinybook tinybook 2 tháng 1 tuần
Vách đá kỳ quái cứ 30 năm lại "đẻ trứng" một lần, các nhà khoa học đau đầu đi tìm lời giải đáp
Nếu bạn chưa bao giờ nghe nói về một vách đá đẻ trứng thì có lẽ bạn không biết về Chan Da Ya, một vách đá bí ẩn ở Trung Quốc cứ 30 năm lại cho ra đời những "quả trứng đá" tròn xoe vô cùng kỳ lạ.
tinybook Công Nghệ Thông Tin








Chat