從4004到core i7——論處理器的進(jìn)化史-概攬

　　在這個(gè)系列的帖子當(dāng)中，我將試圖以簡短的篇幅向外行人介紹CPU的發(fā)展史。

　　現(xiàn)代人類文明是刻在芯片上的，這毋庸置疑。集成電路，簡寫為IC，這種刻有多達(dá)數(shù)十億只晶體管的硅片已經(jīng)成為數(shù)字世界絕對的核心。

　　CPU是IC設(shè)計(jì)中的奧林匹克。在本文中，我將試圖展現(xiàn)人類的心智如何將最簡單的元器件——場效應(yīng)管一步步發(fā)展為擁有超過10億個(gè)零件的有史以來建造過的最復(fù)雜的機(jī)器。

　　由于篇幅和深度的限制，我將不會過多涉及器件、電路層的知識，而將重點(diǎn)放在整體的思路、架構(gòu)上。

　　閱讀基礎(chǔ)：

　　最基礎(chǔ)的電路、邏輯知識

　　建筑師無法不用磚瓦、鋼梁或是木材搭建摩天大廈，IC設(shè)計(jì)師也是一樣。

　　建筑師的類比有助于我們了解IC設(shè)計(jì)與常規(guī)意義上設(shè)計(jì)的共通與不同之處。

　　建筑師在三維空間中設(shè)計(jì)房屋的物理結(jié)構(gòu)，IC設(shè)計(jì)師大多在貼近硅片的“近低空”搭建電路。

　　建筑師操縱的是宏觀物體，現(xiàn)在的IC設(shè)計(jì)師早已深入深亞微米級別。舉個(gè)例子，intel發(fā)明的高k柵極中門極絕緣層的厚度最小大約是4個(gè)晶格點(diǎn)陣中排成直線的原子隊(duì)列的長度。

　　建筑師使用最簡單的幾何體：長方體、圓柱體、薄板，IC設(shè)計(jì)師也用最簡單的器件搭建電路。這是個(gè)顯而易見的事實(shí)：如果元器件的性質(zhì)復(fù)雜，那么互相作用之后整體的復(fù)雜度將難以想象。一個(gè)建筑師無法用不規(guī)則多面體搭建出帝國大廈。

　　建筑師不是泥瓦匠或者土木工程師，他將設(shè)計(jì)圖紙傳遞給后兩者，由他們完成實(shí)際工程的建造。IC設(shè)計(jì)師也不是半導(dǎo)體物理學(xué)家，他從器件制造者手中拿到對器件——IC設(shè)計(jì)中的磚瓦——的外特性的抽象，借此完成設(shè)計(jì)，并且也將圖紙?jiān)賯骰睾笳呤种型瓿蓪?shí)際的流片。

　　建筑師的工作是在無數(shù)種能完成指定功能的房屋設(shè)計(jì)方案中拿出最美、最實(shí)用、最堅(jiān)固的一種。IC設(shè)計(jì)師的工作也類似，即在所有可行方案中優(yōu)化篩選使得某種指標(biāo)最大化，比如說，速度、功耗、面積等。當(dāng)目前不存在可行的方案時(shí)，無論是建筑師或IC設(shè)計(jì)師的工作都變得極具開拓性和挑戰(zhàn)性。

　　建筑師的工程——房屋一旦完成需要通過嚴(yán)格的質(zhì)量驗(yàn)收。IC設(shè)計(jì)師的工程——芯片制造出來后也要通過功能和性能的雙重驗(yàn)證。前者決定該片是否能夠出售，后者決定該片的價(jià)格?？梢韵胂螅F(xiàn)代CPU的復(fù)雜度驚人，對其的驗(yàn)證也是一項(xiàng)需要精心規(guī)劃的復(fù)雜工程。事實(shí)上，芯片驗(yàn)證的費(fèi)用常常占到總體研發(fā)費(fèi)用的一半以上。