Come funziona un microchip, comunque?

È un grande vecchio mondo nano là fuori, non è vero? – Noi umani siamo praticamente sbalorditi da cose che sono di dimensioni estreme in un modo o nell'altro. Ci meravigliamo della nostra abilità ingegneristica quando osserviamo alcuni dei grattacieli più alti del mondo, e ci meravigliamo anche della nostra capacità di far funzionare computer e smartphone con componenti elettronici che sono appena visibili all'occhio umano e richiedono un microscopio per ottenere i dettagli.

Spesso siamo stupiti del risultato finale della nostra ingegneria e non pensiamo molto a come funziona oa cosa ci è voluto per ottenere quel grande risultato. Forse rimarremo ancora più impressionati se impariamo come abbiamo ottenuto la struttura e cosa ci è voluto per arrivarci.

Possiamo usare un microchip, o semplicemente un chip in breve, come esempio del genio ingegneristico che abbiamo raggiunto: l'idea di milioni di calcoli al secondo eseguiti su un chip non più grande di una miniatura. Nel frattempo, appena 50 anni fa, era necessaria un'intera stanza per contenere un computer in grado di eseguire solo centinaia di calcoli al secondo. Ma mentre vedi un wafer di silicio che contiene un certo numero di questi chip e puoi distinguere alcuni dei circuiti, hai davvero una comprensione di come funzionano questi chip?

Facciamo un breve tour nel mondo nano di un microchip.

La sua struttura di base

Un microchip è, nel suo senso più elementare, il cervello e il centro nevralgico di un dispositivo elettronico. Il tuo cervello, ad esempio, riceverà un'istruzione e la elaborerà, quindi dirà al tuo corpo come eseguire quell'istruzione (muovendo le mani in un certo modo o sollevando il piede). E come il tuo sistema nervoso umano, un microchip ha un "groviglio" molto vario ma organizzato di circuiti elettrici, ognuno dei quali ha il proprio scopo in termini di elaborazione della miriade di calcoli che vengono richiesti e di invio del risultato alla parte appropriata del dispositivo elettronico. Ad esempio, c'è un transistor o un circuito che dice al computer di accendersi, o di attivare la fotocamera del tuo smartphone, o di aprire iTunes o Google Play. Praticamente ogni funzione del tuo computer ha un circuito corrispondente e tutti quei circuiti sono su un chip.

3 Funzioni di base

Non importa quanti circuiti hai e quanta memoria è immagazzinata sul chip, un chip ha fondamentalmente tre funzioni e ciascuno dei circuiti esegue almeno una di queste funzioni:

1. Eseguire operazioni matematiche. Sì, questa è addizione, sottrazione, moltiplicazione e divisione. Ovviamente alcune funzioni sono versioni complesse di queste, ma comunque. Alcune funzioni possono essere eseguite solo dopo aver elaborato una determinata equazione matematica e la risposta determina cosa viene eseguito.
2. Sposta i dati da un luogo all'altro. A volte un dato viene utilizzato ed elaborato più rapidamente in una parte del dispositivo rispetto a un'altra. Come sul tuo smartphone, i dati relativi alla tua fotocamera potrebbero essere migliori in un'area più vicina alla fotocamera, mentre i dati per eseguire le funzioni del telefono sarebbero elaborati in modo più efficiente più vicino a quella parte della memoria.
3. Prende decisioni e poi passa a una nuova serie di istruzioni in base alla decisione presa. Ricordi i diagrammi di flusso che usavamo per redigere? Quei diagrammi di flusso – con linee e frecce tra ovali, rettangoli, quadrati e la forma “decisiva” del diamante – coprivano essenzialmente questa funzione. Ad esempio: "Il tuo pasto avanzato è abbastanza caldo?" a forma di diamante. "Sì" indicherebbe un rettangolo che dice "Buon appetito". Una linea "no" riporterebbe al rettangolo sopra il diamante che dice "Metti il ​​tuo pasto nel microonde per un determinato periodo di tempo e premi Start".

Come fa il mio computer a sembrare così veloce?

Non tutti i processi avvengono in un batter d'occhio. I processori hanno "cicli di clock” che determinano la velocità con cui il processore può elaborare un'istruzione di base. Tuttavia, spesso a questi computer viene chiesto di eseguire esecuzioni che potrebbero richiedere più tempo, come la visualizzazione di grafica avanzata o lo streaming di video. Questi tipi di operazioni sono molto complessi, quindi spesso i chip sono realizzati con circuiti che si sovrappongono - in altre parole, potrebbero esserci più circuiti realizzati per eseguire quell'istruzione complessa più rapidamente attraverso un processo chiamato pipelining. Questo processo mette in scena un'operazione complessa in modo che venga eseguita molto più velocemente di quanto farebbe un singolo circuito. Ad esempio, se lo streaming di un video richiede sei "cicli di clock" per essere completato, il chip wafer di silicio avrà sei circuiti dedicati allo streaming video e ogni circuito si troverà in una fase diversa del processo durante ogni "ciclo di clock", quindi che sembrerà che quel particolare compito venga eseguito ad ogni singolo ciclo. Questo spiega lo streaming più fluido di video e video che si accumulano, saltano o si bloccano a volte: spesso dipende dal numero di circuiti dedicati a quella potenza di streaming video e se ci sono abbastanza circuiti per rendere l'esecuzione senza interruzioni.

Ci sono alcuni articoli che approfondiscono dettagli tecnici e dettagliati su come funzionano i chip, ma questo dovrebbe almeno darti un'idea di base di ciò che accade "sotto il cofano" di un dispositivo informatico a livello di microchip.

L'autore

David Woodburn ha lavorato nel campo della tecnologia negli ultimi anni e recentemente ha iniziato a lavorare con i microchip.

Photo credit: Pietro Shanks / Meneer Dijk