Každý má dnes nejaký mikroprocesor. V notebooku, v smartfóne, v smarthodinkách. Ale prečo troškáriť? Prečo nemať aj poriadny megaprocesor! Nedeľník TOUCHIT vážne i nevážne. Nezviazané IT témy na tisíc spôsobov.

Asi sa pýtate, čože je to vlastne ten megaprocesor. Nuž, megaprocesor je vlastne to isté čo mikroprocesor, až na to, že je väčší. Omnoho väčší. Namiesto do dlane sa vám zmestí do bytu. Funguje pri tom na totožnom princípe.

Zatiaľ čo mikroprocesor je zložený z miniatúrnych, niekoľko nanometrových tranzistorov, ktoré sa vyrábajú v miliardách kusov na kremíkových waferoch, megaprocesor je postavený z týchto parádnych tranzistorov, ktoré kúpite v obchodoch s elektrosúčiastkami:

Tranzistory /Foto: James Newman/

Tie tranzistory sa takisto v ničom nelíšia. Aj oni majú vnútri toho klobúčika ploskú kremíkovú platničku, odrezanú z waferov. Len sú skrátka väčšie a tie nožičky čo vidíte dole sú jeho elektronické kontakty, ktoré zapájate do obvodu.

Takto tranzistory vyzerali vo svojich počiatkoch a naozaj nič, teda okrem zdravého rozumu, vám nebráni si z nich naozajstný procesor postaviť.

ČO K TOMU POTREBUJETE A AKO SA TO ROBÍ

No, potrebujete najprv nejakú tú obývačku, v ktorej megaprocesor postavíte a takisto veľa úsilia.

Bolo by hlúpe hneď sa snažiť stavať megaprocesor s miliardami tranzistorov. Veď nemusíme na tom hneď hrať GTA. Je treba začať tak, ako začali aj samotné mikroprocesory, teda s pár tisíckami tranzistorov.

Pozrime sa napríklad na trojicu mikroprocesorov, ktoré otvorili v 70. rokoch minulého storočia éru osobných počítačov.

Šlo v skutku o prelomové a legendárne procesory, ktoré poháňali špičkové domáce počítače ako napríklad „svätá trojicu“ v podobe Commodore PET, Apple II a TRS-80.

S megaprocesorom sa posuňme mierne ďalej, pretože doba predsa len už pokročila a namiesto 8-bitovej architektúry použijeme 16-bitovú. Budeme k tomu potrebovať celkom 15 300 tranzistorov. Okrem toho budeme potrebovať ešte aj mega-operačnú pamäť, pričom bude stačiť 256 bajtov, k čomu budeme potrebovať 27 000 tranzistorov.

Pustime sa do návrhu. U prvých mikroprocesor pre osobné počítače hovoríme o reálnych plochách jadra na úrovni 18 milimetrov štvorcových (jadro bolo následne osadené s doplnkovými obvodmi na vrchu typického čipu v tvare pavúka). Samotné jadro by sa nám tak zmestilo na necht palca.

V prípade megaprocesora bude plocha jadra trochu väčšia. Konkrétne zhruba 15 metrov štvorcových. K tomu ešte prirátame operačnú pamäť, ktorej plocha bude zhruba 3 metre štvorcové.

Tu je plánik:

Ako vidíte, nemusíte sa báť. Do rozmernejšej obývačky sa zmestíme, pretože jednotlivé plochy skrátka postavíme okolo stien koldokola a využijeme tým výšku miestnosti.

Netreba na nič zabudnúť. Megaprocesor bude potrebovať univerzálne registre, podobne ako mal napríklad procesor Intel 8086, ktoré sa používajú na uloženie dočasných priebehových dát.

Potrebujeme pravdaže aj ALU, teda aritmeticko-logickú jednotku, čítač inštrukcií, dekodér, jednotku prerušení no a takisto aj Igora, čo je nejaký druh ovládacieho rozhrania, ktoré v tomto prípade dostalo meno po vernom asistentovi profesora Frankensteina.

AKO VYZERÁ MEGAPROCESOR V REALITE

Ak na vás predchádzajúce riadky pôsobili ako žart, tak vedzte, že nie je. Tento megaprocesor naozaj existuje. Postavil ho britský inžinier James Newman, z Cambridgu.

Je plne funkčný a samotný dôvod jeho stavby, ktorá trvala zhruba dva roky, bol pomerne priamočiary. Newman sa chcel naučiť viac o práci tranzistorov a pochopiť procesor na najelementárnejšej logickej úrovni, pričom následne sa mu to podľa jeho vlastných slov všetko „nejako vymklo z ruky“.

James Newman a jeho megaprocesor /Foto: SWNS/

Výsledný megaprocesor, zložený z 15 300 tranzistorov, je rozložený na piatich 2 metre vysokých tabuliach. Jedna tabuľa nesie obvody aritmeticko-logickej jednotky (ALU), druhá obvody univerzálneho registru, tretia obvody špeciálneho registru, štvrtá obvody stavového mechanizmus a napokon piata obvody pre vstup a dekódovanie inštrukcií.

Súčasťou je aj samostatný panel pre ovládanie a takisto samostatný panel s mega-operačnou pamäťou s kapacitou 256 bajtov, ktorá je poskladaná z 27 000 tranzistorov.

Dohromady ide o zhruba pol tony elektroniky a iného materiálu, ktorá si vyžaduje zhruba 500 W napájací zdroj.

James Newman sedí pri Igorovi svojho megaprocesoru /Foto: James Newman/

Na pohľad vyzerá celý megaprocesor ako výjav z éry prvých sálových počítačov. Najmä vďaka tomu všetkému blikaniu svetielok. Je to ale len klam. Ide o skutočný digitálny procesor.

To blikanie z desiatky tisíc LED je pri tom úmyselné a má priamy význam. Pri zasvecovaní jednotlivých diód totiž môžete presne vidieť, ako dáta procesorom postupujú a ako sa spracovávajú, čo vám umožní na prácu procesora doslova nahliadnuť z vnútra.

Na rozdiel od klasických mikroprocesorov, kde je všetko len pred očami skrytou mágiou, môžete v prípade megaprocesora vidieť, ako proces a jednotlivé logické operácie prebiehajú.

Ako Newman podotkol, „Je nemožné sa zmenšiť tak, aby ste sa zmestili do mikroprocesora a videli ako pracuje. Môžeme na to ísť ale opačne a vybudovať procesor tak veľký, aby sme sa v ňom mohli prechádzať“.

Prechádzka megaprocesorom /Foto: James Newman/

Táto vlastnosť súvisí aj s tým, ako rýchlo procesor pracuje. Maximálna frekvencia ktorú megaprocesor zvládne je 20 kHZ, avšak v tomto režime je už všetko prirýchle. Megaprocesor obvykle funguje pri frekvencii okolo 1 Hz, pri ktorom sa blikaniu dá porozumieť a dobre sledovať celý proces logiky.

Frekvencia sa dá pri tom ľahko zvyšovať počas jeho behu, čo môžete vidieť aj na videu nižšie. Ako sa zvyšuje, blikanie LED signalizujúce spínanie tranzistorov a prechod jednotlivých operácii je čoraz rýchlejšie, pričom zhruba pri 8 kHZ už je pre človeka nesledovateľný, nakoľko už LED takmer nezhasínajú, čím vlastne celá show stráca zmysel.

Omnoho ilustratívnejší je veľmi pomalý proces, ktorý je dokonca možné spomaliť až na 0,01 Hz, či priamo zastaviť a postupovať krok za krokom cyklus po cykle.

James Newman popisuje a predvádza svoj megaprocesor

Pokiaľ vás svrbí otázka, či sa dajú na tomto procesore hrať hry, odpoveď je áno. Na videu môžete megaprocesor vidieť v akcii pri hre Tetris.

LED napojené na jednotlivé tranzistory operačnej pamäte pri tom slúžia ako primitívny (ozajstný) LED displej, kde samotný Tetris môžete pri hraní vidieť. Dohromady je ich 2048, teda každá na jeden bit RAM.

Celkom 27 000 tranzistorov, ktorých 256 bajtovú RAM tvorí, zaberá spolu so zapojením panel s veľkosťou 3 m2. Keby ste chceli ku megaprocesoru pripojiť RAM, s kapacitami 16 či 32 GB, ako sú bežné dnes, samotná RAM by bola väčšia, než celé Slovensko. Konkrétne zhruba 187 a 375 tisíc kilometrov štvorcových, takže 4 až 8× väčšia než naša, na hostenie megaRAM celkom nevhodná krajina.

Pokiaľ sa o megaprocesore chcete dozvedieť viac, neváhajte navštíviť jeho webovú stránku. John Newman vytvoril niekoľko videí, ako funguje jednotlivá logika procesora, aká je použitá architektúra a takisto tam nájdete aj ako vyzerá program, napísaný pre tento procesor.

Pokiaľ by ste megaprocesor chceli vidieť na živo na vlastné oči, je to možné. Nájdete ho vystavený a spustený v Cambridgskom múzeu počítačovej histórie, kde ho James Newman venoval.

Môžete ho pritom nie len vidieť, ale si ho aj rovno vyskúšať a sami si na ňom tetris zahrať.

ZOSTÁVA NÁM EŠTE EKONOMICKÁ OTÁZKA. KOĽKO TO VLASTNE STÁLO?

Nuž odhliadnime teraz od času a úsilia, ktoré stavbe musíte venovať. Veď koniec koncov, spájkovanie desiatok tisíc spojov môžete brať aj ako relax, nie?

Vezmime si preto len cenu za materiál, ktorej sa nedá vyhnúť.

James uvádza, že len za hliník dal 4000 euro. Za dosky plošných spojov, na ktoré spájkoval všetku elektroniku, zaplatil dohromady 16 000 eur, no a napokon za samotnú elektroniku dal 22 000 eur.

Pripákované tranzistory na doskách logických obvodov megaprocesoru /Foto: James Newman/

Z elektroniky šlo najmä o tranzistory, pričom pri 42 400 kusoch šlo i účet na 2300 eur. Za spojovacie káble bolo treba dať 2000 eur, no a za konektory 5750 eur. Spotrebovaná olovená spájka peňaženku ochudobnila o 430 eur.

Keď pripočítame všetky ostatné veci, ako skrutky, LED diódy, odpory a napájanie, dohromady vás bude stáť megaprocesor zhruba 46 000 eur.

No tak ale na druhú stranu, môžete sa cítiť ako megaloman.

Nedeľník TOUCHIT hľadajte na našom webe ako inak než v nedeľu. Ak ste predchádzajúce zmeškali, nájdete ich všetky pod rovnomenným kľúčovým slovom.