CPU máy tính cấu tạo và hoạt động như thế nào?

 Có khi nào bạn thắc mắc, làm thế nào để một chiếc máy tính được tạo nên từ những cục sắt, cục đất, cục đá, miếng nhựa, ... mà có thể giúp chúng ta làm việc, học tập, giải trí hay không? Một "đống sắt" vô tri vô giác mà có thể phát ra được tiếng nhạc, có thể phân tích cả núi dữ liệu chỉ trong chớp mắt, hay là hiển thị những hình ảnh và video sống động. Tại sao máy tính lại có thể làm được điều kỳ diệu như vậy? Trong bài viết này, chúng tôi sẽ giải thích khái quát một chiếc máy tính được cấu tạo từ những vật vô tri vô giác lại có thể xử lý được những phép toán cực kỳ phức tạp. Cụ thể hơn, chúng tôi sẽ giải thích rõ để các bạn hiểu được bản chất cũng như nguyên lý hoạt động của con chíp máy tính (CPU).

 Để hiểu rõ ngọn ngành CPU thì chúng ta cần học một lượng kiến thức cực kỳ phức tạp và khó hiểu. Cho nên trong bài viết này, chúng tôi cũng không thể chia sẻ đầy đủ và trọn vẹn được. Thay vào đó, chúng tôi sẽ chia sẻ với các bạn những kiến thức đơn giản được xem như là bản chất của vấn đề. Chính từ những kiến thức "cốt lõi" này mà người ta có thể nghiên cứu và phát triển nó phức tạp hơn, giúp cho máy tính làm được những điều mà gần như "không tưởng".

 Vậy thì CPU hoạt động như thế nào? Chắc chắn, nếu bạn tìm kiếm trên 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 vào việc "bật, tắt" của bóng bán dẫn. Người ta quy ước việc bật, tắt đó tương ứng với số 0 và số 1 (áp dụng mã nhị phân vào máy tính để 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 chúng ta thắc mắc và cũng rất có ít bài viết để giải thích vấn đề này. Chúng tôi sẽ giúp bạn hiểu rõ về nó.

Tìm hiểu Transistor

 Trước tiên chúng ta đi tìm hiểu sơ qua về bóng bán dẫn Transistor. Trong một con chíp (CPU) máy tính có vô vàn các chiếc bóng bán dẫn. Chúng rất nhỏ, siêu nhỏ, chúng có đến 2.000 chiếc bóng bán dẫn 45 nanomet có thể nằm vừa trên bề ngang của một sợi tóc, hơn 40 triệu bóng bán dẫn 45 nanomet có thể nằm gọn trên đầu kim, và chúng ta phải sử dụng kính hiển vi mới có thể nhìn rõ những chiếc bóng bán dẫn này. Nhưng đó mới là thành tựu công nghệ từ năm 2007, còn bây giờ người ta đã tạo ra những chiếc bóng bán dẫn chỉ 7 nanomet mà thôi. Như vậy, hiện nay những chiếc bóng bán dẫn Transistor có kích thước "siêu siêu nhỏ", nó chỉ bằng 15% so với chiếc bóng bán dẫn trước đó. Và một con chíp (CPU) bây giờ đã chứa cả tỷ chiếc bóng bán dẫn. Thêm một điều thú vị, mặc dù chiếc bóng bán dẫn "siêu siêu nhỏ" như vậy nhưng một chiếc bóng bán dẫn 45 nanomet lại có thể bật tắt tới 300 tỷ lần trong 1 giây. Thời gian bật bóng nhanh tới mức một tia sáng chỉ đi được chưa đến 2 minimet mỗi lần.

CPU đã dùng Transistor tính toán như thế nào?

 CPU đã sử dụng những chiếc bóng bán dẫn Transistor như thế nào mà chiếc máy tính nó thông minh đến như vậy? Như các bạn đã biết, một chiếc bóng bán dẫn thì có 3 chân. Một đặc tính rất khác biệt, đó là nó có thể cho dòng điện chạy qua hoặc là không, bằng cách cho dòng điện chạy vào chân thứ 3 hoặc không. Và chúng ta có thể xem nó là một cái công tắc điện để đóng hoặc mở.

Chân bóng bán dẫn Transistor trong CPU

 Như vậy, trong CPU gồm hàng tỷ chiếc Transistor đồng nghĩa với đó là hàng tỷ cái công tắc bật và tắt. Công tắc đóng thì quy ước là 0, còn công tắc mở thì quy ước là 1. Khi máy tính tiếp nhận thông tin từ con người, nó sẽ được mã 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 thì lại được quy ước là 0 và 1, thế nên CPU sẽ hiểu được tín hiệu của người dùng. Ví dụ, tín hiệu có dãy số 00100001 thì là chữ A chẳng hạn.

Tín hiệu được mã hóa nhị phân 0 và 1

 Như vậy, người dùng đã ra tín hiệu cho CPU và CPU đã hiểu được tín hiệu ra lệnh của người dùng. Thế nhưng để làm sao CPU biết tính toán dựa vào các bóng bán dẫn Transistor? Như bạn thấy, nếu bóng bán dẫn đứng một mình thì nó chỉ là một cái công tắc bật hoặc tắt có nghĩa là 0 và 1. Như vậy thì chẳng giải quyết được vấn đề gì. Thế nhưng bằng một cách nào đó người ta ghép các công tắc này lại với nhau theo một quy tắc nhất định mang tính logic thì nó lại tạo ra những chiếc mạch điện biết tính toán. bạn có thể hình dung như sau, một số cái bóng nhận thông tin của dòng điện thì có một số cái bật, một số cái tắt mang giá trị đầu vào. Những cái bóng này được nối với hàng loạt bóng trong mạch và khi dòng điện chạy qua mạch, nó sẽ bị những chiếc bóng trong mạch điều chỉnh theo quy ước của nhà thiết kế, rồi nó chạy đến những cái bóng khác ở đầu ra và làm cho những chiếc bóng này bật và tắc theo đúng quy ước, sau đó nó sẽ cho ra kết quả chính xác. Người ta dựa vào việc bật hoặc tắt ở cuối mạch mà hiểu được cái nào là 0, cái nào là 1. Và dãy 0 và 1 đó được dịch ngược sẽ cho ra ý nghĩa để con người có thể hiểu được.

Quy trình tính toán của CPU dựa vào các bóng bán dẫn Transistor

 Như vậy, chỉ với việc thiết kế các bóng bán dẫn Transistor theo vị trí nhất định và quy ước nó theo một quy tắc logic, rồi dòng điện chạy qua, từ đó sẽ cho chúng ta thực hiện được những phép tính.

 Dùng những mạch điện đơn giản thường gồm 2 đến 3 bóng bán dẫn, 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 sau đó ghép nhiều cái mạch điện phức tạp lại với nhau thì chúng ta có cái CPU siêu thông minh như bây giờ, và chỉ cần cho dòng điện chạy qua là chúng ta có thể thực hiện được những phép tính.

 Tóm lại, các bạn có thể hiểu CPU tính toán bằng cách sau: Cho dòng điện đã được biến đổi mang tín hiệu người dùng, sau đó dòng điện đến những công tắc đầu vào (bóng bán dẫn đầu vào) làm nó bật hoặc tắt. Do cái thì bật, cái thì tắt sẽ làm dòng điện chạy trong CPU theo một đường đã quy ước, và đến cuối mạch sẽ làm cho các bóng bán dẫn ở cuối tắt hoặc bật, từ đó cho ra kết quả của phép toán.