سی پی یو میں اتنے ٹرانزسٹر کیوں ہوتے ہیں؟ (وضاحت)

Sy Py Yw My Atn Ranzs R Kyw Wt Y Wdaht

اعلان دستبرداری: اس پوسٹ میں ملحقہ لنکس شامل ہو سکتے ہیں، یعنی اگر آپ ہمارے لنکس کے ذریعے خریداری کرتے ہیں تو ہمیں ایک چھوٹا کمیشن ملتا ہے، بغیر کسی قیمت کے۔ مزید معلومات کے لیے، براہ کرم ہمارے ملاحظہ کریں۔ ڈس کلیمر صفحہ .

Intel 4004 CPU، جو 1971 میں متعارف کرایا گیا تھا، صرف نمایاں تھا۔ 2,300 ٹرانجسٹر لیکن 2010 تک کور CPUs کی تعداد 560 ملین تھی۔ ایپل ایم 2 پرو پروسیسر میں 40 بلین ٹرانجسٹرز ہیں، اور M2 میکس چپ میں مجموعی طور پر 67 بلین ہیں۔ لیکن کیوں بہت سے ہیں، اور وہ کس کے لیے استعمال ہوتے ہیں؟

ٹرانسسٹرز کی تعداد سی پی یو کی کارکردگی کو کیسے متاثر کرتی ہے۔

CPUs کے پاس ہے۔ بہت سے ٹرانجسٹر گھڑی کی رفتار، کور، میموری، پروسیسنگ پاور، اور دیگر کارکردگی کے عمل کو بڑھانے کے لیے۔

پیچیدہ کمپیوٹنگ کے لیے بنائے گئے ڈیسک ٹاپ پی سی یا لیپ ٹاپ کو موثر اور طاقتور پروسیسرز کی ضرورت ہوتی ہے، اس لیے سی پی یو میں توقع کے مطابق کام کرنے کے لیے زیادہ ٹرانجسٹرز کا ہونا ضروری ہے۔ ہر کوئی ان پٹ , آؤٹ پٹ ، یا سی پی یو پر مشتمل عمل کرنٹ یا بجلی کے بہاؤ کو منظم کرنے کے لیے چند ٹرانجسٹروں کی ضرورت ہوتی ہے۔

زیادہ تر عمل ایک سے زیادہ CPU اجزاء کا استعمال کرتے ہیں، لہذا متوقع کارکردگی کی فراہمی کے لیے متعدد یا متعدد ٹرانزسٹرز فوری طور پر کام کرتے ہیں۔

اس طرح، ٹرانزسٹروں کی تعداد اس بات کا تعین کرتی ہے کہ ایک CPU کتنی جلدی ایک عمل کو مکمل کر سکتا ہے۔ ہر کام جو کمپیوٹر یا لیپ ٹاپ کرتا ہے اس میں متعدد ہدایات اور عمل شامل ہوتے ہیں، نہ صرف آپ کے ان پٹ اور مطلوبہ آؤٹ پٹ۔

اس کے علاوہ، ہدایات کو انتہائی تیز رفتاری سے عمل میں لانا ہوگا۔ مثال کے طور پر، Intel 4004 CPU 2,300 ٹرانجسٹروں کے ساتھ صرف پروسیس کر سکتا ہے۔ 92,600 ہدایات فی سیکنڈ 50 سال سے زیادہ پہلے۔

کچھ پہلے کے Intel Core i9 CPUs پر کارروائی کر سکتے ہیں۔ چند فی سیکنڈ ملین ہدایات . ایسی کارکردگی کے لیے لاکھوں ٹرانزسٹرز کی ضرورت ہے، اگر اربوں نہیں۔

تمام CPUs میں کسی بھی چیز پر کارروائی کرنے کے لیے 3 وسیع مراحل ہوتے ہیں:

• آئی ٹائم : پہلا مرحلہ انسٹرکشن ٹائم کے طور پر جانا جاتا ہے۔ کنٹرول یونٹ (CU) یا CPU تمام متعلقہ ڈیٹا کو ALU یا ریاضی کے منطقی یونٹ کو بھیجنے کے لیے ہدایات کو لانے اور اس کی تشریح کرنے کے لیے اپنی میموری کا استعمال کرتا ہے۔
• ای ٹائم : دوسرا مرحلہ عمل درآمد کا وقت ہے جب ALU نتیجہ کی گنتی کرنے کے لیے کسی منطقی ہدایات پر عمل کرتا ہے۔ یہ نتیجہ پھر CPU کی کیش میموری میں محفوظ کیا جاتا ہے، کنٹرول یونٹ کی کارروائی کے تابع ہوتا ہے۔
• مشین سائیکل : CU آپ کے ان پٹ اور آؤٹ پٹ ہدایات کے مطابق نتیجہ کو ڈیلیور کرنے یا اسٹور کرنے کے لیے CPU کیش کو ہدایت کرتا ہے۔ I-Time، E-Time، اور اس طرح کے نتیجے کی ترسیل یا ذخیرہ اجتماعی طور پر مشین سائیکل تشکیل دیتے ہیں۔

سی پی یو کی طرف سے کارروائی کی جانے والی ہر ہدایت ان 3 مراحل سے گزرتی ہے۔

بہت سے عمل میں مزید مراحل ہوسکتے ہیں، خاص طور پر اگر پردیی آلات شامل ہوں۔ نفیس سافٹ ویئر یا ٹیکنالوجی کا استعمال کرتے ہوئے پیچیدہ عمل ہدایات کو پیچیدہ اور طول دے سکتے ہیں۔

تمام کام صرف ایک بار کی ہدایات کے ساتھ مکمل نہیں ہو سکتے، ایسی صورت میں ایک CPU کو اپنی گھڑی کی رفتار کی بنیاد پر دوسرا سائیکل استعمال کرنا پڑ سکتا ہے۔ کوئی بھی سی پی یو لاکھوں سے اربوں ہدایات فی سیکنڈ پروسیس کرنے کے لیے لاکھوں سے اربوں ٹرانجسٹرز کی ضرورت ہوتی ہے۔

ونڈوز 10 کوئی لاگ ان پرامپٹ نہیں۔

اس سادہ ارتباط سے ہٹ کر، سی پی یو کے مختلف اجزاء اور ان کی خصوصیات کے لیے ایک مخصوص تعداد میں ٹرانزسٹرز کی ضرورت ہوتی ہے، اور اس کی مانگ میں صرف سالوں میں اضافہ ہوا ہے۔ مجھے CPU ٹرانزسٹرز کے تناظر میں اہم اجزاء اور ان کے چشموں کے ارتقاء پر بات کرنے دو۔

ٹاسک بار پر اسپیکر آئیکن کو واپس کیسے حاصل کریں۔

فن تعمیر

آپ شاید درج ذیل قسم کے CPU فن تعمیر سے واقف ہوں گے۔

• 4 بٹ
• 8 بٹ
• 16 بٹ
• 32 بٹ
• 64 بٹ

پرانا Intel 4004 4-bit CPU بیک وقت 4 بٹس ڈیٹا پر کارروائی کر سکتا ہے، جبکہ عصری 64 بٹ CPUs بیک وقت 64 بٹس پر کارروائی کر سکتے ہیں۔ آپ اس فن تعمیر کو 4 لین اور 64 لین ہائی ویز یا 4 اور 64 تاروں کے سیٹ کے طور پر دیکھ سکتے ہیں جو بیک وقت بجلی چلاتے ہیں یا نہیں۔

سی پی یو ٹرانزسٹر بولین منطق کی بنیاد پر سوئچ کے طور پر کام کرتے ہیں۔ بائنری سسٹم، 0 اور 1، ان سوئچز کو بند اور کھولتا ہے۔ سی پی یوز میں ایمپلیفائر کے طور پر ٹرانجسٹر بھی ہوتے ہیں، لیکن مجھے سوئچ کا مقصد استعمال کرنے دیں جو منطقی دروازے بناتے ہیں۔

چونکہ ہر ٹرانزسٹر کھول یا بند کر سکتا ہے، یعنی کسی عمل کے لیے ہدایات پر عمل درآمد کر سکتا ہے، اس لیے ڈیٹا کے بٹس کا فرق صرف 64 - 4 = 60 نہیں ہے۔ 4-bit اور 32-bit، اور 64-bit کے درمیان فرق نہیں ہے۔ صرف مختلف بٹس بلکہ یہ بھی کہ یہ ہدایات کس کے ساتھ تعامل کرتی ہیں، جو ایک عمل کا تعین کرتی ہے۔

مثال کے طور پر، کسی ہدایت یا عمل کو تشکیل دینے والے ڈیٹا کے بٹس کنٹرول یونٹ اور میموری کے ساتھ تعامل کریں گے۔ دیگر اہم اجزاء ہیں ریاضی کی منطق کی اکائی , بنیادی میموری (RAM) ، اور اسٹوریج (ہارڈ ڈرائیو) .

0 کا استعمال کرتے ہوئے تعاملات کے دائرہ کار پر غور کرنا ( بند یا غلط ) اور 1 ( کھلا یا سچ؟ )، مختلف CPU فن تعمیر درج ذیل کوانٹم ڈیٹا تک رسائی اور حوالہ دے سکتے ہیں۔

• 4 بٹ :2 ⁴ (16 بائٹس)
• 8 بٹ :2 ⁸ (256 بائٹس)
• 16 بٹ :2 ¹⁶ (65,536 بائٹس)
• 32 بٹ :2 ³² (4,294,967,296 بائٹس، یعنی ~4 GB)
• 64 بٹ :2 ⁶⁴ (18,446,744,073,709,551,616 بائٹس، یعنی ~18 بلین جی بی)

ایک 32 بٹ سی پی یو نظریاتی طور پر 4 جی بی کیشے میموری، ہارڈ ڈرائیو ڈیٹا، یا رام تک بیک وقت رسائی حاصل کر سکتا ہے۔ اگر ایک CPU کو 4,294,967,296 میموری ایڈریسز کے ساتھ ایک یا بہت سے عمل کو حقیقی وقت میں مکمل کرنے کے لیے تعامل کرنا پڑتا ہے، تو اسے اس طرح کے عمل کو آسان بنانے کے لیے کافی ٹرانجسٹرز کی ضرورت ہوتی ہے۔

زیادہ تر CPUs ڈیٹا یا میموری ایڈریس کے تمام دستیاب بائٹس تک رسائی حاصل نہیں کرتے ہیں کیونکہ بہت کچھ پہلے سے ہی مختلف سسٹم کے عمل کے لیے محفوظ ہے۔ اس کے علاوہ، 64 بٹ سی پی یو کے لیے 18 بلین جی بی یا 18 ایکسابائٹس (ای بی) کسی بھی معیاری ڈیسک ٹاپ کمپیوٹر یا لیپ ٹاپ کی ضرورت سے باہر ہے۔

گھڑی کی رفتار

سی پی یوز چند سو کلو ہرٹز کی گھڑی کی رفتار سے گیگا ہرٹز تک تیار ہوئے ہیں۔ یہ ارتقاء سی پی یوز میں ٹرانسسٹروں کی بڑھتی ہوئی تعداد کے براہ راست متناسب ہے۔ یہاں چند مثالیں ہیں:

• Intel 4004 4-bit CPU 23,000 ٹرانجسٹرز کے ساتھ 740 KHz کی گھڑی کی رفتار تھی۔
• iAPX 86 (8086) 16-bit CPU میں 29,000 ٹرانزسٹرز کے ساتھ 10 MHz تک گھڑی کی رفتار تھی۔
• Intel 80286 CPU 134,000 ٹرانزسٹرز کے ساتھ 25 MHz تک بلند ہوا۔
• پہلا 32 بٹ Intel CPU (386DX) 275,000 ٹرانجسٹرز کے ساتھ 16 سے 33 میگاہرٹز تک پہنچ گیا۔
• 5.0 GHz یا 5.8 GHz گھڑی کی رفتار کے ساتھ تمام Intel Core i9 CPUs میں> 1 بلین ٹرانجسٹر ہیں۔

گھڑی کی رفتار بنیادی طور پر سائیکلوں کی زیادہ سے زیادہ تعداد ہے جو ایک سی پی یو ایک سیکنڈ میں مکمل کر سکتا ہے، لہذا ایک سی پی یو کو ان سائیکلوں کو شروع کرنے، عمل کرنے اور مکمل کرنے کے لیے کافی ٹرانجسٹرز کی ضرورت ہوتی ہے۔ 5 گیگا ہرٹز کی گھڑی کی رفتار والا سی پی یو 5 بلین سائیکل فی سیکنڈ تک لے جا سکتا ہے۔

کور

CPU فن تعمیر اور گھڑی کی رفتار کی طرح، cores کی تعداد بھی وقت کے ساتھ تیار ہوئی ہے۔ ملٹی کور پروسیسر کے ہر کور میں اہم اجزاء ہوتے ہیں یا دوسرے کور کے لیے ان سے الگ ہوتے ہیں، جیسے کہ درج ذیل:

• جاؤ ( ریاضی کی منطق کی اکائی )
• کے ساتھ ( کنٹرول یونٹ )
• یاداشت ( L1 وقف ہے۔ )

یہاں تک کہ اگر کور L2 اور L3 کیشے کا اشتراک کرتے ہیں، کلیدی وقف شدہ اجزاء پر اتنا ٹیکس لگا رہے ہیں کہ اگر اربوں نہیں تو لاکھوں مزید ٹرانجسٹرز کا مطالبہ کر سکتے ہیں۔ نیز، ہائپر تھریڈنگ والے ملٹی کور سی پی یوز کو زیادہ ٹرانجسٹرز کی ضرورت ہوتی ہے۔

اسی طرح، غیر مقفل سی پی یو کو اوور کلاک کرنے سے ریئل ٹائم پروسیسنگ کے مطالبات بڑھ جائیں گے، اس لیے چپ میں لاکڈ پروسیسرز کے مقابلے بہت زیادہ ٹرانزسٹر ہونے چاہئیں۔ CPU کی کارکردگی اور کارکردگی میں ہر قابل ذکر بہتری کا انحصار ٹرانجسٹر کی گنتی پر ہوتا ہے۔

یاداشت

تمام عصری CPUs میں کافی کیش میموری ہوتی ہے، جو عام طور پر کچھ معاملات میں 3 یا 4 زمروں میں تقسیم ہوتی ہے:

• L1
• L2
• L3
• L4

CPUs کے دیگر تمام اہم اجزاء کی طرح، کیش میموری کی صلاحیت بھی وقت کے ساتھ پھیل گئی ہے۔ Intel 80386 32-bit CPU میں 275,000 ٹرانزسٹر ہونے کے باوجود کوئی کیش نہیں تھا، لیکن جدید پروسیسرز میں 100 MB میموری (SRAM) ہو سکتا ہے، بشمول L1، L2، اور L3۔

جامد رینڈم ایکسیس میموری (SRAM)، جو کہ CPU کے کور کے لیے کیشے کے طور پر کام کرتی ہے، متحرک رینڈم ایکسیس میموری (DRAM) جیسی نہیں ہے، جو کہ پی سی کی بنیادی میموری ہے۔ DRAM فی میموری سیل 1 ٹرانزسٹر استعمال کرتا ہے۔

SRAM فی میموری سیل ایک سے زیادہ ٹرانزسٹر استعمال کرتا ہے، عام طور پر 6۔

اس طرح، 1 GB تک کیش میموری یا SRAM والے CPU کو روایتی RAM یا DRAM کے مقابلے بہت زیادہ ٹرانزسٹرز کی ضرورت ہوتی ہے۔ SRAM کارکردگی کے لیے بہت اہم ہے اگر آپ کی کمپیوٹنگ کی ضروریات کارکردگی کے لیے کیش میموری یا تمام پراسیس کے لیے تیز تر ٹرناراؤنڈ اوقات پر منحصر ہیں۔

پروسیسنگ کی صلاحیت

سی پی یو کے تمام اہم اجزاء جو زیادہ ٹرانزسٹرز کا مطالبہ کرتے ہیں پروسیسنگ کی زیادہ صلاحیت کے لیے ضروری ہیں۔ ٹرانزسٹرز کسی بھی پروسیسنگ میٹرک کی بنیاد ہیں جسے آپ ترجیح دیتے ہیں کیونکہ تمام ہدایات درج ذیل پر ابلتی ہیں:

• امپلیفائر
• منطق کے دروازے
• سوئچز

منطقی دروازے کی مثال پر غور کریں:

مائیکروسافٹ ورڈ غیر تجارتی استعمال غیر لائسنس یافتہ پروڈکٹ

• اور
• نند
• NOR
• نہیں
• یا
• ایکس این او آر
• مفت

قسم کی بنیاد پر منطقی دروازوں کو 1 سے 4 ٹرانزسٹروں کی ضرورت ہوتی ہے۔

ایک CPU میں 100 ملین گیٹس اور اس سے زیادہ ہو سکتے ہیں، لہذا یہ منطقی دروازے عصری CPUs میں نصف بلین ٹرانجسٹرز کا مطالبہ کریں گے۔ 200 ملین ٹرانزسٹر فی 4 MB کیشے میں شامل کریں، اور آپ کو احساس ہو گا کہ CPU میں اتنے زیادہ کیوں ہیں۔

ہارڈ ڈرائیوز کے برعکس یا ذخیرہ کرنے کے نظام ، CPU کیش میموری غیر مستحکم (SRAM) ہے، لہذا یہ ڈیٹا کو محفوظ یا ذخیرہ نہیں کرتی ہے۔ متوازی پروسیسنگ کے ساتھ ساتھ بہت سارے پڑھنے اور لکھنے کی ضرورت ہوتی ہے، سی پی یو کی کیش میموری تک رسائی حاصل کرنے اور اس کے ساتھ تعامل کرنے کے لیے، یہ سبھی مزید ٹرانزسٹرز کے لیے کہتے ہیں۔

مزید برآں، آج کل CPUs میں چند ٹرانزسٹر-انٹینسیو خصوصیات ہیں، جیسے کہ درج ذیل:

• شاخ کی پیشن گوئی
• انسٹرکشن سیٹ آرکیٹیکچر (ISA)
• پیری فیرلز (یعنی مزید بسیں)
• قیاس آرائی پر مبنی ملٹی تھریڈنگ

ہر فنکشن عمل کو شروع کرنے یا ختم کرنے کے لیے حقیقی وقت میں مزید ٹرانزسٹروں کی دستیابی کا مطالبہ کرتا ہے، بشمول ان چشموں کے دائرہ کار میں کمپیوٹنگ کی تمام قسم کی ہدایات۔

نتیجہ

CPUs میں بہت سے ٹرانزسٹر ہوتے ہیں کیونکہ ایمپلیفائر، گیٹس اور سوئچز چپ یا پروسیسر کی کارکردگی کی بنیاد ہیں، بشمول کارکردگی، بجلی کی کھپت، اور قابل اعتماد۔ اعلی درجے کے چشموں کے ساتھ ایک CPU میں توقع کے مطابق کارکردگی کا مظاہرہ کرنے کے لیے کافی سے زیادہ ٹرانجسٹر ہونے چاہئیں۔