科技原理 電腦各個硬件是怎麼工作的？CPU、顯卡、主板、內存、硬盤到底是如何運行的？

在本視頻中,我們將使用3D動畫來解剖一臺臺式電腦, 就像生物課上的解剖實驗一樣。 不過這次我們將探索計算機內部,並拆解每一個硬件組件。 隨後我們還會藉助顯微鏡帶你進入納米級別的視角, 觀察晶體管和其他微觀結構。 爲製作這部影片,我們拆解了一臺典型的臺式電腦, 把每塊電路板上的零件逐一拆焊並移除,並拍攝了數千張照片。 然後,我們根據這些照片,精心地爲計算機中的每個組件建立了3D模型, 從機箱到最小的電阻都不放過。 於是你現在看到的,是本視頻中將要探索的全部硬件。 看起來像是一場電腦慘案的現場。 所有零件被粗暴拆解後整齊排布。 好了,我們正式開始。 我們首先來看中央處理器,也就是CPU電腦的大腦。 最上面這層叫做集成散熱器IHS, 拆開後可以看到一個較小的金屬封裝, 其中就是所謂的裸片die,也就是集成電路本體。 這塊裸片被安裝在一個小型電路板上, 通過約1200個連接點, 把信號傳遞到主板上的接觸山格LGA。 在這個芯片內部有多個功能區, 其中最核心的結構是10個處理核心Cores, 它們負責運行程序和指令。 每個核心結構都很複雜, 這張圖展示了其中的功能劃分。 圖中包含了幾十個複雜模塊, 我們後續還將製作一系列視頻。 深入解析這些模塊的功能和計算機架構原理。 現在讓我們放大到納米級別, 觀察單個晶體管。 這些晶體管非常微小,寬度只有幾納米。 這一塊裸片中大約有80到100億個晶體管。 在晶體管之上還有多層金屬連線, 不同層之間通過垂直通孔連接。 晶體管與金屬線路共同構成一個多層結構, 就像一個複雜的高速公路系統, 使得計算機能每秒執行數十億次操作。 我們繼續回到CPU的其他部分。 每個核心旁邊都有共享的L3三級緩存和一個環形互聯總線。 右側是集成顯卡iGPU, 雖然性能有限但仍具備圖形處理能力。 左上角是內存控制器,負責與內存之間的數據交換。 最左側是系統代理與平臺IO, 負責與主板上的芯片組通信,協調數據流動。 接下來我們來看主板。 主板是一塊巨大的電路板, 內部佈滿了數千條電線, 表面焊接了各種芯片、接口、插槽、端口、接頭和連接器。 除了PCB本體之外, 最重要也最昂貴的芯片是位於散熱片下方的芯片組Chipset。 它直接與CPU中的系統代理模塊相連。 這張圖展示了CPU和芯片組如何與其他設備連接。 CPU直接連接內存、顯示器、GPU以及通過M.2插槽接入的部分SSD。 而芯片組則管理其他大部分設備, 有線或無線網絡通過SATA接口連接的SSD或HDD, 部分PCIe插槽、鍵盤鼠標、USB設備以及音頻輸入輸出。 需要特別說明的是, 計算機硬件在過去65年裏經歷了巨大演變。 這裏展示的只是現代計算機的一個代表性例子, 不代表所有電腦。 我們跳過主板上那些形形色色的接口, 來重點看看靠近CPU的電壓調節模塊VRM。 這些模塊將來自電源的大電壓降低至CPU使用的1.3V左右。 由於電流巨大,加上VRM的轉換效率只有80%至90%, 所以通常需要加裝散熱片進行降溫。 既然談到了功耗, 這顆CPU的功耗大約相當於16個LED燈, 所產生的熱量也不容小覷, 需要依靠CPU散熱器來帶走熱量。 本視頻中的散熱器使用液冷系統, 冷液由泵推動, 通過管道流入散熱器內部通道, 將熱量傳導到散熱鰭片, 然後由風扇帶走熱量。 冷卻液隨後通過迴路返回泵體。 水泵採用無刷直流電機構造, 幹區包括PCB、電控芯片和電子, 中間有一道隔離層, 溼區則是永磁轉子和液輪。 電子和轉子之間沒有機械接觸, 從而避免液體泄漏。 接下來我們來看電腦的電源。 電源的主要任務是爲整個系統供電。 電源內部的變壓器負責將高壓電 轉換爲電腦所需的低壓電, 並實現高低壓區域的電氣隔離。 電源中的控制電路板確保輸出電壓穩定, 並通過光偶器件將調整信號 傳送給初級電路上的開關電晶體。 此外,電源還包含多個濾波器件和輸出電路, 提供不同電壓給電腦的各個硬件。 比如SSD只需要幾瓦功率, 而GPU則可能需要數百瓦, 因此兩者的供電接口和電壓也有所不同。 下面我們來介紹顯卡GPU, 這也是計算機的大腦。 嗯,其實這麼類比不太合適。 打開顯卡後可以看到中間是GPU芯片, 周圍是顯存芯片, 側邊是電壓調節模塊。 GPU上方是散熱器和風扇, 卡的一側是HDMI和顯示接口, 另一側是PCIe接口和電源插頭。 聚焦於GPU芯片, 它和CPU一樣有超過上千個焊盤連接至電路板。 拆開封裝後, 可以看到GPU裸片與CPU裸片差異明顯。 它內部大約有118億個晶體管, 分佈在6個圖形處理集群, GPC中包含共28個流處理單元SM。 每個SM有128個核心, 總數爲3584個核心。 每個核心具備整數和浮點運算單元對列, 結果收集模塊, 但整體結構遠比CPU核心簡單。 裸片上還包含共享的L2緩存, 一組內存控制器連接到VRAM, 以及與CPU相連的PCIe接口。 放大觀察GPU裸片結構, 可以看到和CPU類似的晶體管層和金屬互連層。 這些結構均誕生於造價高達數十億美元的晶圓廠Fab中, 具體內容屬於另一個視頻的話題。 總體來看,GPU和CPU有很多相似之處, 但GPU擁有成千上萬個核心, 擅長並行的基礎運算, 而CPU擁有較少但更強大的核心, 可執行復雜的邏輯流程, 具備分支預測和深層流水線。 例如,假設我們要處理一張含有1600萬像素的圖片, 爲每個RGB值加上20。 CPU如果有10個核心, 每次處理10個值, GPU可以將數據分配給上千個核心, 實現大規模並行計算。 現在我們繼續來看內存固態硬盤SSD和機械硬盤HDD。 我們不會展開講太多內容, 因爲我們早已單獨製作了關於SSD DRAM和HDD的專門視頻。 CPU通過主板上的內存通道與DRAM直接通信。 每個DRAM芯片中包含32個獨立的內存區塊, 每個區塊由一個8192列乘65536行的存儲陣列組成。 DRAM使用電容和晶體管構成的ETEC存儲單元, 以二維結構暫存數據,訪問速度在那秒級。 即使有8個芯片,總容量也只有16GB左右。 SSD使用名爲3D NAND的存儲結構永久保存數據。 3D NAND陣列通常爲100至200層高, 每層可達數萬列數萬行, 並且多組NAND陣列還可以上下堆疊在同一芯片內。 因此,單顆芯片就可存儲數TB數據, 不過讀寫速度約爲50微秒,遠慢於DRAM的訪問速度。 進一步觀察SSD存儲單元, 我們發現它通過電荷捕獲結構來存儲多個電荷電瓶, 從而實現每單元3bit的數據存儲。 NVMe和SATA接口的SSD均包含若干鏈存儲芯片, 一顆用於緩存映射表的DRAM芯片,以及控制芯片。 最後我們來看機械硬盤HDD。 盤片通過電機驅動高速旋轉, 每張盤上密佈約50萬條數據軌道。 磁頭在盤面上移動,定位到某一軌道進行讀寫。 寫頭通過磁化方向記錄數據, 讀頭則檢測磁場變化以讀取信息。 HDD的訪問時間以毫秒計比SSD更慢, 但每TB成本更低。 以上就是本期視頻的全部內容了。 如果你喜歡這期視頻的話, 別忘了點贊收藏關注三連轉發支持一下, 這會對我們有非常大的幫助。