# Introduction

https://www.bilibili.com/video/BV1xw411i7sH/?spm_id_from=333.1391.top_right_bar_window_custom_collection.content.click&vd_source=2c1227d0a7d29725db75d3fc52e6089b

# 计算机架构的方向

• security
• energy-efficient
• low latency, predictable
• architectures for AI

我们通常设计整个系统，而不是某一层

# 课程关于

计算机是怎样工作的。

作为科学家，应该了解它是怎样工作的，否则没有其他人知道。

Focus on learning experience.

# 内存

内存存取的延迟比计算更高。现代计算机系统的问题更多是关于内存的 。

对于简单的计算，内存访问消耗 6400 倍能量

# Rowhammer attack

在内存里，当我们不断存取一个 row 的时候，相邻的 row 会产生 bit flip.

原因是: electrical interference. 当一行电压高的时候，相邻的行损失电能。

大多数 DRAM Modules 存在漏洞

# Goals of Course

• Enable you to think critically
• Enable you to think broadly

# Preparation

If you're prepared to see something, you can see something.

If you don't have an background to see an opportunity, the opportunity comes to you will just miss it.

# Architecture

Architecture based on principle, and not upon precedent.

# Combinational Logic

# Transistors

计算机由很多个小结构组成：晶体管

# Mos Transistor

结合

• Conductors (Metal)
• Insulators (Oxide)
• Semiconductors

我们有 2 种 MOS Transistor, n-type 和 p-type

它们像开关一样工作。

# N type MOS Transistor

如果 Gate 被施加高电压，Drain 和 Source 就会被导通。

和技术相关，高电压值可能在 [0.3V, 3V]

如果在临界值，开关的结果可能是随机的。

p-type transistors are good at pulling down the voltage

# P type MOS Transistor

和 N type 工作相反。当 Gate 被施加高电压的时候，会形成断路。

p-type transistors are good at pulling up the voltage

# Logical Gates

我们用 MOS Transistor 构造基本的逻辑门，它们实现了基本的逻辑运算。

# CMOS (NOT Gate)

Complementary MOS 技术。现代计算机普遍使用 CMOS.

nMOS + pMOS=CMOS

<img src="https://nerdsdostuff.com/wp-content/uploads/2024/03/CMOS-Inverter-Circuit-Image.png" alt="CMOS Inverter: Basics, Working and Applications - Nerds Do Stuff" style="zoom:33%;" />

它实现了 not 的逻辑。

逻辑门里圆圈的意思是区反。

# NAND

# AND

# Common Logic Gates

# Power Consumption

• 动态功耗：电能被用来存储，当信号转换的时候 (0,1 转化)
• 静态功耗：当 signal 不变的时候的功耗，因为漏电

# Enabling Manufacturing:EUV

制造芯片的技术

# 逻辑运算

# 1bit 全加器

+ 是或， * 是 AND

# Duality

每个式子有一个 dual 的，转换方法

• AND 和 OR 转换
• 常数 0 和 1 转换

# 简化定理

$$XY+X\bar{Y}=X, (X+Y)(X+\bar{Y})=X \\ X+XY=X, X(X+Y)=X \\ (X+\bar{Y})Y=XY, (X\bar{Y})+Y=X+Y$$

# DeMorgan's Law

$$\overline{(X+Y+Z)}=\bar{X}\bar{Y}\bar{Z} \\ \overline{(XYZ)} = \bar{X}+\bar{Y}+\bar{Z}$$

# Standard Function Representation

Sum of Pruducts (SOP)

Product of Sums(POS)

Implicant: producto of literals $ABC$

Minterm: product that include all literals

Maxterm: sum that include all literals

可以写成

$$f=m3+m4+m5+m6+m7 = \sum m(3,4,5,6,7)$$

$m3$ 就算 Minterm 二进制是 3 的 literal

$$F=(A+B+C)(A+B+\bar{C})(A+\bar{B}+C) \\ = \Pi M(0,1,2)$$

大写 M 是 Maxterm

# Combinational Building Blocks

# Decoder

input pattern decoder

把数转换成下标

用处：可以把 A 当作内存地址，那么 Y 就知道要激活哪一行。也可以是 opcode 解码

# Multiplexer (MUX), or Selector

如果 S 是 0 那么就是 $D_0$ 的输入，否则就是 $D_1$ 的输入

MUX 可以被用作 Look Up Table

# Programmable Logic Array

左边是 Minterm, 我们要设置 connection (编成)， 是的右边的 Or 连接正确的 Minterm.

如果 minterm 在 SOP 里出现，那我们连接对应的 AND Gate 到 OrGate 上.

# Equality Checker

可以用 XNOR Gate 实现相等检查

# Tri State Buffer

# Sequencial Logic Design

输出还和过去的输入有关

# Storage elements

# Cross Coupled Inverters

# SRAM

# The Big Picture: Storage Elements

• Latches and Flip-Flops
  • Very fast, very expensive (1 bit costs 10s of transistors)
• SRAM
  • expensive (1 bit costs 6 transistors)
• DRAM
  • Cheap
• hard disk
  • very cheap

# RS Latch

Reset-Set Latch