«ترانزیستور» را می‌توان یکی از مهم‌ترین اختراع‌های دانشمندان در قرن بیستم دانست که به انقلابی عظیم در صنعت الکترونیک منجر شد (تصویر 1). به بیان ساده، ترانزیستور مهم‌ترین قطعه هر مدار الکترونیکی است که برای تقویت یا کنترل (قطع و وصل) ولتاژ یا جریان الکتریکی به کار می‌رود.
«پردازنده» یا «واحد پردازش مرکزی»2 (CPU) یکی از مهم‌ترین بخش‌های هر رایانه (از قبیل لپ‌تاپ، تبلت، گوشی تلفن همراه و...) است. وظیفه اصلی پردازنده، انجام عملیات اصلی محاسباتی، منطقی، کنترل و ورودی/ خروجی است. پردازنده‌هایی که امروزه در این قبیل وسایل به‌کار می‌روند، تراشه‌هایی هستند که از صدها میلیون تا چندین میلیارد ترانزیستور تشکیل شده‌اند و در محفظه‌ای سرامیکی جای گرفته‌اند. تصویر 2 نخستین پردازنده‌ای را نشان می‌دهد که در ساخت آن از 2250 ترانزیستور استفاده شده بود. ابعاد (طول، عرض و ارتفاع) هر ترانزیستور به کار رفته در این پردازنده حدود 10 میکرون (یک صدم میلی‌متر) است3.
مثال:
با توجه به اینکه ابعاد هر ترانزیستور تعبیه شده در پردازنده Intel 4004 حدود 10 میکرون است، مساحت هر ترانزیستور چند میلی‌متر مربع است؟
پاسخ: اگر مساحت هر ترانزیستور را با نماد A نشان دهیم، خواهیم داشت:
A=(10-2 mm)*(10-2 mm)=10-4 mm2
با توجه به نیاز به رایانه‌هایی با توان محاسباتی بسیار بالا که بتوانند تعداد بیشتری محاسبه در هر ثانیه انجام دهند، به تدریج پردازنده‌هایی با ترانزیستورهایی بسیار کوچک‌تر و تعداد بسیار بیشتر ساخته شدند. این پردازندهها امروزه قادرند میلیاردها محاسبه را در هر ثانیه انجام دهند. در جدول زیر ویژگی‌های تعدادی از این پردازندهها آمده است.
با توجه به ویژگی‌های پردازنده‌های مندرج در جدول زیر و همچنین پردازنده معرفی شده در تصویر 2، به پرسش‌ها پاسخ دهید:
1. از سال 1349 تا 1399 (طی یک بازه زمانی 50 ساله)
الف) تعداد ترانزیستورهای به‌کار رفته در یک پردازنده چند برابر شده است؟
ب) تعداد محاسبه پردازندهها در هر ثانیه، چند برابر شده است؟
2. ابعاد ترانزیستورهای به‌کار رفته در پردازنده Intel 4004 چند برابر ابعاد ترانزیستورهای پردازنده Apple M1 است؟
3. از سال 1368 تا سال 1398 (طی یک بازه زمانی 30 ساله)
الف) تعداد ترانزیستورهای به‌کار رفته در یک پردازنده چند برابر شده است؟
ب) تعداد محاسبه پردازندهها در هر ثانیه چند برابر شده است؟
4. پیش‌بینی شده است تا سال 1402 پردازنده‌هایی وارد بازار شوند که ابعاد ترانزیستورهای به کار رفته در آن‌ها یک نانومتر باشد. در این صورت ابعاد ترانزیستورهای به‌کار رفته در پردازندهها از سال 1368 تا سال 1402 (طی یک بازه زمانی 34 ساله) چند برابر کوچک‌تر شده است؟
فعالیت پیشنهادی
سریع‌ترین «ابررایانه»5 جهان بین سال‌های1364 تا سال 1369 در اختیار «سازمان فضایی آمریکا»، (ناسا)، قرار داشت و دارای 8 پردازنده با کارایی حدود 2000 مگا فلاپس6 بود (تصویر3- الف). حال آنکه سریع‌ترین ابررایانه جهان، به نام «فوگاکو»7 متعلق به کشور ژاپن است که دارای 159000 پردازنده و کارایی 442000 ترافلاپس8 است (تصویر3- ب).
این ابررایانه از سال 1399 آماده به کار شده است. نسبت کارایی این دو ابررایانه را با هم مقایسه کنید.
پی‌نوشت‌ها
1. گروه علوم تجربی، دفتر تألیف کتاب‌های درسی متوسطه نظری، سازمان پژوهش و برنامه‌ریزی آموزشی
2. Central Processing Unit
3. وقتی یک متر را به یک میلیون قسمت مساوی تقسیم کنیم، هر قسمت را یک میکرومتر (1µm) یا به اختصار یک میکرون می‌نامند.
4. John Bardeen, William Shockley and Walter Brattain at Bell Labs
5. supercomputer
6. فلاپس (PLOPS) به انگلیسی مخفف عبارت (floating point operations per second) به معنای عملیات شناور در هر نقطه در ثانیه، مقیاسی برای سنجش کارایی رایانه‌هاست.
7. Fugaku
8. هر ترافلاپس یک میلیون برابر مگا فلاپس است.