從4004到core i7——論處理器的進(jìn)化史-概攬

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

　　現代人類(lèi)文明是刻在芯片上的，這毋庸置疑。集成電路，簡(jiǎn)寫(xiě)為IC，這種刻有多達數十億只晶體管的硅片已經(jīng)成為數字世界絕對的核心。

　　CPU是IC設計中的奧林匹克。在本文中，我將試圖展現人類(lèi)的心智如何將最簡(jiǎn)單的元器件——場(chǎng)效應管一步步發(fā)展為擁有超過(guò)10億個(gè)零件的有史以來(lái)建造過(guò)的最復雜的機器。

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

　　閱讀基礎：

　　最基礎的電路、邏輯知識

　　建筑師無(wú)法不用磚瓦、鋼梁或是木材搭建摩天大廈，IC設計師也是一樣。

　　建筑師的類(lèi)比有助于我們了解IC設計與常規意義上設計的共通與不同之處。

　　建筑師在三維空間中設計房屋的物理結構，IC設計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(guān)物體，現在的IC設計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(mén)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(xiàn)的原子隊列的長(cháng)度。

　　建筑師使用最簡(jiǎn)單的幾何體：長(cháng)方體、圓柱體、薄板，IC設計師也用最簡(jiǎn)單的器件搭建電路。這是個(gè)顯而易見(jiàn)的事實(shí)：如果元器件的性質(zhì)復雜，那么互相作用之后整體的復雜度將難以想象。一個(gè)建筑師無(wú)法用不規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，他將設計圖紙傳遞給后兩者，由他們完成實(shí)際工程的建造。IC設計師也不是半導體物理學(xué)家，他從器件制造者手中拿到對器件——IC設計中的磚瓦——的外特性的抽象，借此完成設計，并且也將圖紙再傳回后者手中完成實(shí)際的流片。

　　建筑師的工作是在無(wú)數種能完成指定功能的房屋設計方案中拿出最美、最實(shí)用、最堅固的一種。IC設計師的工作也類(lèi)似，即在所有可行方案中優(yōu)化篩選使得某種指標最大化，比如說(shuō)，速度、功耗、面積等。當目前不存在可行的方案時(shí)，無(wú)論是建筑師或IC設計師的工作都變得極具開(kāi)拓性和挑戰性。

　　建筑師的工程——房屋一旦完成需要通過(guò)嚴格的質(zhì)量驗收。IC設計師的工程——芯片制造出來(lái)后也要通過(guò)功能和性能的雙重驗證。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?，現代CPU的復雜度驚人，對其的驗證也是一項需要精心規劃的復雜工程。事實(shí)上，芯片驗證的費用常常占到總體研發(fā)費用的一半以上。