2.2 一颗CPU是怎么设计出来的

通过上一节的学习，我们已经知道了芯片制造的基本流程：从沙子中提取硅、把硅切成片，在硅片上通过掺杂实现PN结，实现各种二极管、三极管、CMOS管，就可以将我们设计的电路图转换为千万门级的大规模集成电路。接下来我们继续了解一款CPU芯片电路是怎样设计出来的。首先，我们需要了解一下CPU内部的结构及工作原理。想要搞懂CPU的工作原理，这里又不得不说一下图灵机。图灵机原型证明了实现通用计算机的可能性，奠定了现代计算机发展的理论基石。

2.2.1 计算机理论基石：图灵机

现代计算机理论的技术源头可以追溯到几十年前的图灵机。在20世纪40年代，英国科学家图灵在他发表的一篇论文中提出了图灵机的概念，大家有兴趣可以在网上搜搜这篇论文，公式很复杂，也很难看懂。我们简化分析，可以简单地理解为：任何复杂的运算都可以分解为有限个基本运算指令。

图灵机的构造如图2-18所示：一条无限长的纸带Tape、一个读写头Head、一套控制规则Table、一个状态寄存器。图灵机内部有一个机器读写头Head，读写头可以一直读取纸带，图灵机根据自己有限的控制规则，根据纸带的输入，不断更新机器的状态，并将输出打印到纸带上。

比较图灵机原型与现代计算机，你会发现有很多相似的地方。

● 无限长的纸带：相当于程序代码。

● 一个读写头Head：相当于程序计数器PC。

● 一套控制规则Table：相当于CPU有限的指令集。

● 一个状态寄存器：相当于程序或计算机的状态输出。

不同架构的CPU，指令集不同，支持运行的机器指令也不同，但是有一条是相同的：每一种CPU只能支持有限个指令，任何复杂的运算最终都可以分解成有限个基本指令来完成：加、减、乘、除、与、或、非、移位等算术运算或逻辑运算。在个人计算机上，我们可以玩游戏、上网、聊天、听音乐、看视频，这些复杂多变的应用程序，最终都可以分解成CPU所支持的有限个基本指令，通过指令的组合运算来完成。

2.2.2 CPU内部结构及工作原理

基于图灵机的构想，现代计算机的基本结构就逐渐清晰了。如图2-19所示，CPU内部构造很简单，只包含基本的算术逻辑运算单元、控制单元、寄存器等，仅支持有限个指令。CPU支持的有限个基本指令集合，称为指令集。程序代码存储在内部存储器（内存）中，CPU可以从内存中一条一条地取指令、翻译指令并执行它。

CPU内部的算术逻辑单元（Arithmetic and Logic Unit，ALU）是处理器最核心的部件，相当于CPU的大脑。理解了ALU的工作流程基本上也就理解了计算机的工作流程。ALU由算术单元和逻辑单元组成，算术单元主要负责数学运算，如加、减、乘等；逻辑单元主要负责逻辑运算，如与、或、非等。ALU只是纯粹的运算单元，要想完成一个指令运行的整个流程，还需要控制单元的协助。控制单元根据程序计数器PC中的地址，会不断地从内存RAM中取指令，放到指令寄存器中并进行译码，将指令中的操作码和操作数分别送到ALU，执行相应的运算。以两个整数A、B相加的指令为例，如图2-19所示，控制单元通过指令译码电路会将该指令分解为操作码和操作数，再根据操作数地址从内存RAM中加载（Load）数据A和B，传送到ALU的输入端，然后将操作运算类型（操作码）即加法也告诉ALU。ALU有了输入数据和操作类型，就可以直接进行相应的运算了，并输出运算结果。为了效率考虑，运算结果一般会先保存到寄存器中，然后由控制单元将该数据从寄存器存储（Store）到内存RAM中。执行到这一步，一个完整的加法指令执行流程就结束了，控制单元会继续取下一条指令，然后翻译指令、运行指令，周而复始。CPU内部有个程序计数器（Program Counter，PC），系统上电后默认初始化为0，控制单元会根据这个PC寄存器中的地址到对应的内存RAM中取指令，然后PC寄存器中的地址自动加一。通过这种操作，控制单元就可以不停地从内存RAM中取指令、翻译指令、运行指令，程序就可以源源不断地运行下去了。

早期CPU的工作频率和内存RAM相比，差距不是一般的大。控制单元从RAM中加载数据到CPU，或者将CPU内部的数据存储到RAM中，一般要经过多个时钟读写周期才能完成：找地址、取数据、配置、输出数据等。运算速度再快的CPU，也只能傻傻地干等几个时钟周期，等数据传输成功后才可以接着执行下面的指令。内存带宽的瓶颈会拖CPU的后腿，影响CPU的性能。为了提高性能，防止RAM拖后腿，CPU一般都会在内部配置一些寄存器，用来保存CPU在计算过程中的各种临时结果和状态值。ALU在运算过程中，当运算结果为0、为负、数据溢出时，也会有一些Flags标志位输出，这些标志位对控制单元特别有用，如一些条件跳转指令，其实就是根据运算结果的这些标志位进行跳转的。CPU跳转指令的实现其实也很简单：根据ALU的运算结果和输出的Flags标志位，直接修改PC寄存器的地址即可，控制单元会自动到PC指针指向的内存地址取指令、翻译指令和运行指令。跳转指令的实现，改变了程序按顺序逐步执行的线性结构，可以让程序执行更加灵活，可以实现更加复杂的程序逻辑，如程序的分支结构、循环结构等。

CPU所支持的加、减、乘、与、或、非、跳转、Load/Store、IN/OUT等基本指令，一般称为指令集。任何复杂的运算都可以分解为指令集中的基本指令。在软件层面上，我们可以把这些有限的基本指令进行不同的组合，实现各种不同的功能：播放视频、播放音乐、图片显示、网络传输。我们也可以基于这些基本指令实现新的指令，以除法运算为例，如果CPU在硬件电路上不支持除法指令，我们就可以基于CPU指令集中的原生加、减、移位等指令来模拟除法的实现，生成新的除法指令。

这种由基本指令组成的不同组合，我们称为程序。为了编程方便，我们给每个二进制指令起一个别名，使用一个助记符表示，这些助记符就是汇编语言，由助记符组成的指令序列就是汇编程序。汇编语言的可读性虽然比二进制的机器指令好了很多，但是当汇编程序很大、程序的逻辑很复杂时，维护也会变得无比艰难，这时候高级语言就开始问世了，如C、C++、Java等。高级语言的读写更符合人类习惯，更适合开发和阅读，如图2-20所示，编写好的高级语言程序通过编译器，就可以翻译成CPU所能识别的二进制机器指令。

CPU内部的各种运算单元，无论是算术逻辑单元、控制单元，还是各种寄存器、译码电路，其实都是由大量逻辑门电路组合构成的：与门、或门、非门等。这些基本的门电路通过逻辑组合、封装和抽象，就构成了一个个具有特定功能的模块：寄存器、译码电路、控制单元、算术逻辑运算单元等。具有不同功能的模块再经过不断地抽象、堆叠和组合，就构成了一个完整的CPU内部电路系统组件。随着集成电路的发展，CPU也变得越来越复杂，现在的CPU可由上亿个门电路、几十亿个晶体管组成。如果靠手工一个一个门电路地连接它们，效率太低了，目前的CPU设计，一般都使用VHDL或Verilog硬件描述语言（Hardware Description Language，HDL）来整合ALU、内控制单元、寄存器、Cache等电路模块，然后通过电子设计自动化（Electronic Design Automation，EDA）工具将其转换为逻辑门电路。借助HDL编程和EDA开发工具，数字IC设计工程师只需要关心数字电路的逻辑功能实现，而具体物理电路的实现、布线和连接则由EDA工具自动完成，大大提升了工作效率。

2.2.3 CPU设计流程

集成电路（Integrated Circuit，IC）设计一般分为模拟IC设计、数字IC设计和数模混合IC设计。数字IC设计一般都是通过HDL编程和EDA工具来实现一个特定逻辑功能的数字集成电路的。以设计一款ARM架构的SoC芯片为例，它的基本设计流程如图2-21所示。

1.设计芯片规格

根据需求，设计出芯片基本的框架、功能，进行模块划分。有些复杂的芯片可能还需要建模，使用MATLAB、CADENCE等工具进行前期模拟和仿真。

2.HDL代码实现

使用VHDL或Verilog硬件描述语言把要实现的硬件功能描述出来，接着通过EDA工具不断仿真、修改和验证，直到芯片的逻辑功能完全正确。这种仿真我们一般称为前端仿真，简称前仿。前仿只验证芯片的逻辑功能是否正确，不考虑延时等因素。这个阶段也是芯片设计最重要的阶段，会耗费大量的时间去反复验证芯片逻辑功能的正确性。芯片公司内部一般也会设有数字IC验证工程师岗位，招聘工程师专门从事这个工作。以设计一个1位加法器为例，我们可以通过EDA工具编写下面的Verilog代码来实现，并通过EDA工具提供的仿真功能来验证加法器的逻辑功能是否正确。

3.逻辑综合

如图2-22所示，前端仿真通过后，通过EDA工具就可以将HDL代码转换成具体的逻辑门电路。专业说法是将HDL代码翻译成门级网表：Gate-level netlist，网表文件用来描述电路中元器件之间的连接关系。有数字电路基础的人都知道，任何一个逻辑运算都可以转化为基本的门级电路（与门、或门、非门等）的组合来实现，而网表就是用来描述这些门级电路的连接信息的。

在综合过程中，有时候还需要设定一些约束条件，让综合出来的具体电路在芯片面积、时序等参数上满足预期要求。此时的电路考虑了延时等因素，和实际的芯片电路已经很接近了。

现在很多IC设计公司一般都是Fabless。Foundry在集成电路领域一般指专门负责生产、制造芯片的厂家，如台积电、中芯国际等。Fabless是Fabrication（制造）和less的组合词，专指那些只专注于集成电路设计，而没有芯片制造工厂的IC设计公司。像高通、联发科、海思半导体这些没有自己的芯片制造工厂，需要台积电、中芯国际代工生产的IC设计公司就是Fabless，而像Intel、三星半导体这些有自己芯片制造工厂的IC设计公司就不能称为Fabless。

对于一些Fabless的IC设计公司而言，门级电路一般是由晶圆厂，也就是芯片代工厂以工艺库的形式提供的，如中芯国际、台积电、三星半导体等。如果你设计的芯片委托台积电代工制造，工艺制程是14nm，那么当你在设计芯片时，台积电会提供给你14nm级的工艺库，里面包含各种门电路，经过逻辑综合生成的电路参数，如延时参数，和台积电生产芯片实际使用电路的工艺参数是一致的。

4.仿真验证

通过逻辑综合生成的门级电路，已经包含了延时等各种信息，接下来还需要对这些门级电路进行进一步的静态时序分析和验证。为了提高工作效率，除了使用仿真软件，有时候也会借助FPGA平台进行验证。前端仿真发生在逻辑综合之前，专注于验证电路的逻辑功能是否正确；逻辑综合后的仿真，一般称为后端仿真，简称后仿。后端仿真会考虑延时等因素。

后端仿真通过后，从HDL代码到生成门级网表电路，整个芯片的前端设计就结束了。

5.后端设计

通过前端设计，我们已经生成了门级网表电路，但门级网表电路和实际的芯片电路之间还有一段距离，我们还需要对其不断完善和优化，将其进一步设计成物理版图，也就是芯片代工厂做掩膜版需要的电路版图，这一阶段称为后端设计。后端设计包括很多步骤，具体如下。

● DFT：Design For Test，可测试性设计。芯片内部一般会自带测试电路，如插入扫描链、引出JTAG调试接口。

● 布局规划：各个IP电路模块的摆放位置、时钟线综合、信号线的布局等。

● 物理版图验证：检查设计规则、连线宽度、间距是否符合工艺要求和电气规则。

物理版图验证通过后，芯片设计公司就可以将这个物理版图以GDSII文件的格式交给芯片制造代工厂（Foundry）去流片了。到了这一步，整个芯片设计、仿真、验证的流程就结束了，我们称为tap-out。

物理版图是由我们设计的芯片电路转化而成的几何图形。如图2-23所示，和PCB版图类似，物理版图中包含了集成电路元器件的尺寸大小、各层电路的拓扑关系等。物理版图也分为好多层，版图中不同的颜色代表不同的层，每一层都代表不同的电路实现。

芯片代工厂根据物理版图提供的这些信息来制造掩膜版，然后使用光刻机，通过掩膜版在晶圆的硅片衬底上开凿出各种掺杂窗口，接着对硅片进行离子注入，掺杂不同的三价元素和五价元素，生成PN结，进而构成二极管、三极管、CMOS管等基本元器件，构建出各种门电路。如图2-24所示，光刻机根据物理版图的不同层，制作不同的掩膜版，从底层开始，逐层制作，就可以在晶圆硅片衬底上生成多层立体的3D电路结构。

晶圆上的一个个CPU芯片电路在经过切割、封装、引出管脚、测试后，就是我们在市场上常见的各种CPU芯片了。

到这里，我们已经把芯片设计、制造的整个大致流程给大家分享完了。芯片的设计和制造看起来很简单，但实际上每个环节都有极高的技术含量。集成电路行业是一个极其专业而且高度分工的行业，每个环节都有不同的行业巨头或隐形冠军把守，从芯片的设计、验证仿真、制造加工、封装测试到各种EDA工具、IP核、光刻机、刻蚀机，每个环节都有非常专业的制造商、服务商、EDA工具商精密严谨地配合，大家互相促进，将CPU芯片一代又一代地不断更新迭代下去。

有了CPU处理器，还需要配套的主板或开发板、内存RAM、硬盘或Flash存储器，才能构成一个完整的计算机整机系统，这样才能运行我们编写的程序软件。接下来的一节，将继续给大家分享一些有关计算机体系结构的知识。