Có khi nào bạn thắc mắc làm thế nào để một cái máy tính vô tri vô giác được tạo nên từ những cục sắt, cục đá, cục đất, cúc cát mà lại có thể phát ra tiếng nhạc du dương hay remix sôi động. Có thể phân tích cả núi dữ liệu chỉ trong chớp mắt hay lại hiển thị cho chúng ta xem những hình ảnh vô cùng mát mẻ và hấp dẫn giữa những ngày hè nóng lực. Tại sao máy tính lại có thể làm được điều kỳ diệu như vậy. Trong bài viết này Biết Tuốt sẽ giải thích cách mà 1 cái máy tính được cấu tạo từ những vật vô tri vô giác lại có thể xử lí được những phép toán phức tạp. Cụ thể hơn chúng ta cũng tìm hiểu về nguyên lý hoạt động của cái CPU. Và CPU tính toán như thế nào?

CPU hoạt động như thế nào?

Chắc chắn nếu bạn tra google sẽ thấy rằng CPU được cấu tạo từ rất nhiều bóng bán dẫn hay còn gọi là transistor. Và bạn cũng biết rằng CPU tính toán được là nhờ việc bật tắt của bóng bán dẫn. Người ta quy ước việc bật tắt tương ứng với 0 và 1 áp dụng mã nhị phân vào máy tính có thể xử lý được phép toán. Thế nhưng tại sao quy ước là 0 và 1 thì lại giúp máy tính giải quyết được bài toán? Đây mới là điều mà chúng ta thắc mắc. Thế nhưng lại rất ít bài viết giải thích về vấn đề này.

Trước khi tìm hiểu về cách thức giải toán với những cái transistor chúng ta hãy cũng tìm hiểu một chút về những chiếc bóng bán dẫn tí hon này

Những điều thú vị về Transistor

Trong một con chíp có vô vàn bóng bán dẫn chúng rất nhỏ, siêu nhỏ đến mức 2000 chiếc bóng bán dẫn 45 nanomet có thể nằm vừa trên bề ngang cảu một sợi tóc. Hơn 30 triệu bóng bán dẫn 45 nanomet có thể nằm trọn trong một chiếc đầu kim. Và chúng ta phải dùng kính hiển vi mới có thể nhìn được những chiếc bóng này. Nhưng đó mới là những thành tựu từ năm 2007 tức là cách đây tới 14 năm.

Còn cho đến bây giờ người ta đã tạo ra chiếc bóng bán dẫn chỉ 7nm nghĩa là chỉ bằng 15% so với chiếc bóng thời 2007. Và một con chip bây giờ đã chứa tới cả tỉ chiếc bóng bán dẫn

Thêm một điều thú vị là mặc dù bóng bán dẫn nhỏ như vậy nhưng một bóng bán dẫn 45nm có thể bật tắt tới 300 tỉ lần mỗi giây. Thời gian bật bóng nhanh tới mức một tia sáng chỉ đi được không đầy 2mm mỗi lần như vậy và bây giờ chúng ta sẽ cùng tìm hiểu xem CPU đã sử dụng những cái Transistor để tính toán như thế nào mà cái não của máy tính thông minh gấp cả tỉ lần não người như vậy

Tính bằng Transistor

Như các bạn đã biết một cái bóng bán dẫn thì có 3 chân và một đặc tính rất khác biệt đó là nó có thể cho dòng điện chạy qua hoặc không bằng cách cho dòng điện vào chân thứ 3 hoặc không. Và có thể xem nó là công tắc điện sử dụng điện để đóng hoặc mở. Như vậy CPU là cả tỉ cái công tắc. Công tắc đóng thì quy ước là 0, còn công tắc mở quy ước là 1. Khi máy tính tiếp nhận thông tin từ con người nó sẽ đượcmã hóa thông tin dưới dạng tín hiệu điện. Khi tín hiệu điện này đi vào CPU thì nó sẽ làm cho những cái Transistor đóng hoặc mở theo tín hiệu điện mà việc đóng hay mở được quy ước là 0 hoặc 1 rồi. Thế nên CPU đã hiểu được tín hiệu của người dùng ví dụ dãy số 01100001 thì có nghĩa là chữ A.

Người và CPU đã hiểu nhau. Thế còn bây giờ làm sao để CPU biết tính toán dựa vào các bóng bán dẫn. Như bạn thấy bóng bán dẫn đứng 1 mình nó chỉ là 1 cái công tắc bật hoặc tắt có nghĩa là 0 và 1 và như vậy thì chẳng giải quyết vấn đề gì. Thế nhưng khi ta ghép các công tắc này lại với nhau theo 1 quy ước nhất định mang tính logic thì nó lại tạo ra những cái mach điện biết tính toán. Và người ta gọi nó là cổng logic.

Hình dung như thế này. Một số cái bóng nhận thông tin của dòng điện thì sẽ có cái bật cái tắt mang giá trị đầu vào. Những cái bóng này được nối với một loạt bóng trong mạch và khi dòng điện chạy qua mạch nó sẽ bị những cái bóng trong mạch điều chỉnh theo quy ước của người thiết kế. Rồi nó chạy đến những cái bóng ở đầu ra và làm những cái bóng này bật tắt theo đúng quy ước và cho ra kết quả chính xác. Người ta dựa vào việc bật hay tắt ở cuối mạch mà hiểu được cái nào là 0 cái nào nào là 1

Rồi dãy số 0 và 1 dịch ngược sẽ cho ra ý nghĩa để con người có thể hiểu. Như vậy chỉ với việc thiết kế các bóng theo vị trí nhất định và quy ước nó theo 1 quy tắc. Rồi dòng điện chạy qua sẽ cho chúng ta thực hiện những phép tính. Dùng những mạch điện đơn giản thường gồm 2 đến 3 bóng rồi ghép những mạch điện đơn giản vào với nhau người ta sẽ có một cái mạch phức tạp để giải những phép tính phức tạp rồi ghép nhiều cái phức tạp lại với nhau thì chúng ta có CPU siêu thông minh như bây giờ. Chỉ cần cho dòng điện chạy qua chúng ta có thể thực hiện được những phép tính

Như vậy các bạn có thể hiểu CPU tính toán bằng cách cho dòng điện đã được biến đổi mang tín hiệu người dùng, dòng điện đến những công tắc đầu vào làm nó bật hoặc tắt. Do cái bật cái tắt sẽ làm dòng điện chạy trong CPU theo một đường đã quy ước. Và đến cuối mạch sẽ là những cái bóng ở cuối tắt hoặc bật dựa vào việc bật tắt ở cuối mà người ta suy được kết quả của phép toán

Xem thêm: