Gli ingegneri progettano manualmente ogni singolo transistor di una CPU come i 3 miliardi di transistor della Core i7-8086K ?

Gli ingegneri non progettano manualmente ogni singolo transistor di una CPU moderna come il Core i7-8086K, che contiene circa 3 miliardi di transistor: questo processo sarebbe impossibile e richiederebbe una quantità di tempo inimmaginabile; Il design di una CPU moderna è suddiviso in moduli gerarchici: piuttosto che progettare singoli transistor, gli ingegneri progettano blocchi funzionali come la ALU, i registri e la cache, riutilizzando moduli e applicando tecniche di progettazione modulare.

Questi moduli (blocchi) vengono ottimizzati separatamente, simulati e verificati prima di essere integrati nel progetto complessivo, e gli strumenti utilizzati dagli ingegneri sono i c.d. software EDA, cioè gli Electronic Design Automation, ovvero strumenti software fondamentali per la progettazione e simulazione di circuiti elettronici complessi, come CPU, GPU e altri chip.

I software EDA permettono agli ingegneri di progettare, simulare, verificare e ottimizzare i progetti a livello di circuito e layout fisico in modo da garantire che funzionino correttamente prima della produzione fisica.

Vediamoli in dettaglio:

1. Progettazione a Livello Alto (RTL Design). La progettazione delle CPU inizia con la descrizione a livello alto del comportamento logico del processore, in cui gli ingegneri definiscono come devono funzionare le varie componenti. Questa descrizione viene fatta in linguaggi di descrizione hardware come Verilog o VHDL, che consentono agli ingegneri di specificare il funzionamento logico e l’architettura generale (pipeline, ALU, cache, ecc.) senza entrare nei dettagli dei singoli transistor.

   
   

2. Sintesi Logica e Ottimizzazione. Il design ad alto livello viene quindi passato a strumenti di sintesi logica, come Synopsys Design Compiler, che traducono questa descrizione in reti logiche, generando schemi più specifici e dettagliati che indicano quali tipi di porte logiche e componenti saranno necessari. A questo livello, il numero di transistor è ancora gestibile poiché il software può sintetizzare il design in blocchi.

   
   

3. Place and Route (P&R) Una volta che il design logico è definito, si passa alla fase di place and route, dove si decide fisicamente dove posizionare ogni transistor e come collegare le diverse componenti tra loro. Strumenti EDA avanzati come Cadence Innovus o Synopsys IC Compiler vengono usati per gestire e ottimizzare il posizionamento e il cablaggio dei transistor, bilanciando criteri come la velocità, il consumo energetico e la dissipazione del calore. Questa fase produce il layout finale della CPU.

   
   

4. Simulazioni e Verifiche. La verifica è fondamentale per garantire che il design funzioni correttamente. Software di simulazione come Mentor Graphics ModelSim o Cadence Xcelium permettono di simulare il funzionamento della CPU a diversi livelli di dettaglio. Le simulazioni consentono di rilevare errori logici, problemi di sincronizzazione e altri difetti, senza dover costruire fisicamente la CPU.

   
   

Tuttavia, progettare una CPU di complessità paragonabile a quella di un Core i7 richiede anni di lavoro e il coinvolgimento di centinaia (se non migliaia) di ingegneri, con competenze che vanno dall'architettura dei computer, alla logica digitale, alla fisica dei semiconduttori. Il tempo complessivo può variare dai 3 ai 5 anni per una singola generazione di CPU, compreso il tempo per il design, la verifica, la produzione e il collaudo.

Concludendo, la progettazione di una CPU moderna è un processo altamente automatizzato che sfrutta software EDA avanzati e una suddivisione gerarchica del design. Gli ingegneri progettano i transistor solo a livello modulare e affidano ai software il compito di trasformare la logica ad alto livello in layout fisici a livello di transistor. Il processo richiede comunque anni di lavoro e il contributo di un team multidisciplinare di ingegneri esperti.

#divulgatoreinformatico