第68章 計(jì)算機(jī)架構(gòu)攻關(guān)

　　輝煌科技公司半導(dǎo)體研究中心。

　　無(wú)數(shù)工作人員正在加緊研究CPU需要的各種模塊，比如乘法器、除法器、加法器、譯碼器、編碼器、數(shù)據(jù)選擇器、觸發(fā)器、鎖存器、計(jì)數(shù)器、移位寄存器、儲(chǔ)存器、放大器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器等等。

　　所有運(yùn)算都是加法器實(shí)現(xiàn)的，加法器是計(jì)算機(jī)真正的基石，計(jì)算機(jī)一切的計(jì)算能力，都是由加法器實(shí)現(xiàn)的。

　　設(shè)計(jì)CPU首先就要設(shè)計(jì)ALU，也就是設(shè)計(jì)加法器，計(jì)算機(jī)內(nèi)部的加法器有全加器、紋波進(jìn)位加法器、超前進(jìn)位加法器。

　　一個(gè)加法器只能進(jìn)行一位二進(jìn)制的加法，有了全加器以后，就能做多位二進(jìn)制數(shù)的加法了，只要把多個(gè)全加器的輸入和輸出連起來(lái)，就像可以實(shí)現(xiàn)多位的加法。

　　紋波進(jìn)位加法器就是一個(gè)把許多個(gè)全加器串聯(lián)起來(lái)的加法器，它能進(jìn)行多位數(shù)的加法運(yùn)算。

　　但這種加法器有種缺陷，就是bit位運(yùn)算太慢，每個(gè)bit位的計(jì)算都要等到上個(gè)bit的運(yùn)算結(jié)束后才能進(jìn)行運(yùn)算，導(dǎo)致如果運(yùn)算位數(shù)非常之多的話，整個(gè)加法器運(yùn)算會(huì)非常緩慢，所以紋波進(jìn)位加法器只能做bit位較少的加法計(jì)算。

　　如果要進(jìn)行bit位較多的加法計(jì)算，就要設(shè)計(jì)超前進(jìn)位加法器，這種加法器不需要等上一位的運(yùn)算結(jié)束，而是直接就可以通過(guò)布爾運(yùn)算得出當(dāng)前位的值，而計(jì)算的方式是利用硬件計(jì)算。

　　所以超前進(jìn)位加法器也有缺陷，因?yàn)橐糜布M(jìn)行布爾運(yùn)算，位數(shù)越多電路就越復(fù)雜，這樣不僅運(yùn)算會(huì)變慢，成本也會(huì)變高。

　　而用硬件進(jìn)行布爾運(yùn)算也需要用到加法器，所以超前進(jìn)位加法器也是由全加法器實(shí)現(xiàn)的，只不過(guò)擁有更多的全加器，構(gòu)成了超前進(jìn)位全加器。

　　這樣布爾運(yùn)算模塊和超前進(jìn)位加法器互相包含，構(gòu)成了極為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

　　但是不管怎么復(fù)雜，只要設(shè)計(jì)成功，以后就可以直接拿來(lái)用，不用再次分析和設(shè)計(jì)。

　　除了加法器之外還有減法，乘法，除法，等等，這是CPU必須的。

　　CPU要進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算，需要利用數(shù)值計(jì)算方法的原理，或是將各種數(shù)學(xué)函數(shù)變換變?yōu)橹挥屑訙p乘除的多項(xiàng)式，或是使用迭代的方式計(jì)算，或是近似計(jì)算等等，這又是一個(gè)新的數(shù)學(xué)領(lǐng)域。

　　從數(shù)學(xué)角度來(lái)說(shuō)，減法是可以轉(zhuǎn)換成加法運(yùn)算的，乘法同樣可以轉(zhuǎn)換成加法運(yùn)算，除法可以轉(zhuǎn)換成乘法運(yùn)算，所以一切的運(yùn)算都可以以加法運(yùn)算為基礎(chǔ)，所以計(jì)算機(jī)只會(huì)做加法也沒(méi)有問(wèn)題。

　　但是如果計(jì)算機(jī)只會(huì)做加法，對(duì)于有些計(jì)算來(lái)說(shuō)速度就會(huì)慢下來(lái)，所以要想計(jì)算機(jī)速度更快，一定要給計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)加減乘除積分微分的運(yùn)算電路。

　　還需要設(shè)計(jì)更加復(fù)雜的數(shù)學(xué)電路，來(lái)輔助硬件電路來(lái)完成更多的功能，這些輔助硬件的電路會(huì)通過(guò)一定的規(guī)則來(lái)控制，這個(gè)規(guī)則就是軟件。

　　也就是說(shuō)CPU里面還有一部分是把軟件翻譯成硬件電路，然后將這部分硬件電路燒進(jìn)CPU模塊里面，這樣CPU就可以高速調(diào)用里面的軟件進(jìn)行運(yùn)行了，極大地加快了速度。

　　上面的僅僅是CPU的電路原理，除了電路以外還有電路的密度。

　　CPU設(shè)計(jì)都是先使用軟件進(jìn)行電路模塊的設(shè)計(jì)并模擬，然后根據(jù)模擬的成功的電路進(jìn)行分立元件的搭建，然后單獨(dú)測(cè)試這些模塊的性能，最后把這些模塊集合在一起，構(gòu)成一個(gè)由分立元件構(gòu)成的巨大CPU。

　　這就是CPU原型了。

　　搭建CPU原型是一件代價(jià)極為高昂的事情，而且會(huì)產(chǎn)生極大的體積，畢竟無(wú)數(shù)的晶體管堆積在一起，這樣會(huì)直觀地進(jìn)行CPU內(nèi)部電路的分析，還可以直觀地調(diào)整晶體管級(jí)別的設(shè)計(jì)，動(dòng)態(tài)地改變晶體管參數(shù)來(lái)觀察它對(duì)CPU性能的影響。

　　英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾曾經(jīng)說(shuō)過(guò)，當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18-24個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍，這一定律揭示了信息技術(shù)進(jìn)步的速度。

　　所以輝煌科技公司目前的CPU原型是非常巨大的，足足上百億晶體管。

　　不過(guò)并不是所有的晶體管集合在一起，而是分成一個(gè)個(gè)模塊，由上千人負(fù)責(zé)進(jìn)行架構(gòu)研究。

　　組建這種CPU原型的好處是，輝煌科技公司不太需要頻繁的流片，要知道芯片的流片是代價(jià)極為高昂的，像這種上百億晶體管的流片，一次流片就需要耗費(fèi)幾百萬(wàn)元成本，畢竟做這么一個(gè)光刻膜就需要不少的成本，何況還有上百臺(tái)專用機(jī)器設(shè)備的流水線運(yùn)行。

　　上面的這種研究已經(jīng)持續(xù)了五年多的時(shí)間，用這種方法，輝煌科技公司已經(jīng)研究出了輝煌手機(jī)CPU。

　　目前的計(jì)算機(jī)CPU只是對(duì)手機(jī)CPU的深層次提升而已。

　　因?yàn)檩x煌科技公司的CPU研發(fā)是通過(guò)這種從零開(kāi)始的行為，不斷地砸錢(qián)，所以擁有了自己的CPU架構(gòu)。

　　什么是CPU架構(gòu)？

　　CPU架構(gòu)是從分立原件到完整CPU的設(shè)計(jì)過(guò)程，這個(gè)過(guò)程中，每一個(gè)模塊的基本結(jié)構(gòu)，就叫做CPU架構(gòu)，以后的設(shè)計(jì)者只需要調(diào)用這些架構(gòu)的模塊就行。

　　所以我們可以看到，很多架構(gòu)廠商會(huì)進(jìn)行架構(gòu)版本的更新，這些架構(gòu)版本更新，說(shuō)的就是CPU原型的更新。

　　CPU原型里面的晶體管調(diào)整一次，那么這個(gè)架構(gòu)版本就更新一次，性能也就增強(qiáng)一次。

　　目前全世界有很多架構(gòu)版本，使用這些版本都是需要授權(quán)的，還需要不少的授權(quán)費(fèi)，為什么呢？就是因?yàn)閯e人幫助做好了CPU原型。

　　在CPU架構(gòu)的基礎(chǔ)上，芯片設(shè)計(jì)公司只需要直接調(diào)用架構(gòu)里面的模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)就行了，不用進(jìn)行分立元件的搭建，只需要使用軟件就可以進(jìn)行CPU的設(shè)計(jì)。

　　目前全世界的CPU架構(gòu)分為很多種。

　　X86架構(gòu)，主要使用者是英特爾和AMD，主要是用到計(jì)算機(jī)CPU芯片。

　　ARM架構(gòu)，被很多嵌入式公司使用，廣泛地使用在許多嵌入式有CPU設(shè)計(jì)里面，比如手機(jī)，平板電腦，游戲機(jī)等等。

　　MIPS架構(gòu)，被很多公司用于服務(wù)器的CPU設(shè)計(jì)。

　　PowerPC架構(gòu)，用于高端服務(wù)器 CPU 到嵌入式 CPU 市場(chǎng)。

　　SPARC架構(gòu)，是RISC微處理器架構(gòu)之一。

　　以上的CPU架構(gòu)都是國(guó)外的產(chǎn)品，但是國(guó)內(nèi)也要有CPU架構(gòu)了，那就是輝煌架構(gòu)，輝煌科技公司重金打造的，從零開(kāi)始的自己的架構(gòu)。