第68章 計算機架構攻關

　　輝煌科技公司半導體研究中心。

　　無數(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、計數(shù)器、移位寄存器、儲存器、放大器、模擬數(shù)字轉換器、數(shù)字模擬轉換器等等。

　　所有運算都是加法器實現(xiàn)的，加法器是計算機真正的基石，計算機一切的計算能力，都是由加法器實現(xiàn)的。

　　設計CPU首先就要設計ALU，也就是設計加法器，計算機內(nèi)部的加法器有全加器、紋波進位加法器、超前進位加法器。

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

　　紋波進位加法器就是一個把許多個全加器串聯(lián)起來的加法器，它能進行多位數(shù)的加法運算。

　　但這種加法器有種缺陷，就是bit位運算太慢，每個bit位的計算都要等到上個bit的運算結束后才能進行運算，導致如果運算位數(shù)非常之多的話，整個加法器運算會非常緩慢，所以紋波進位加法器只能做bit位較少的加法計算。

　　如果要進行bit位較多的加法計算，就要設計超前進位加法器，這種加法器不需要等上一位的運算結束，而是直接就可以通過布爾運算得出當前位的值，而計算的方式是利用硬件計算。

　　所以超前進位加法器也有缺陷，因為要利用硬件進行布爾運算，位數(shù)越多電路就越復雜，這樣不僅運算會變慢，成本也會變高。

　　而用硬件進行布爾運算也需要用到加法器，所以超前進位加法器也是由全加法器實現(xiàn)的，只不過擁有更多的全加器，構成了超前進位全加器。

　　這樣布爾運算模塊和超前進位加法器互相包含，構成了極為復雜的結構。

　　但是不管怎么復雜，只要設計成功，以后就可以直接拿來用，不用再次分析和設計。

　　除了加法器之外還有減法，乘法，除法，等等，這是CPU必須的。

　　CPU要進行復雜的運算，需要利用數(shù)值計算方法的原理，或是將各種數(shù)學函數(shù)變換變?yōu)橹挥屑訙p乘除的多項式，或是使用迭代的方式計算，或是近似計算等等，這又是一個新的數(shù)學領域。

　　從數(shù)學角度來說，減法是可以轉換成加法運算的，乘法同樣可以轉換成加法運算，除法可以轉換成乘法運算，所以一切的運算都可以以加法運算為基礎，所以計算機只會做加法也沒有問題。

　　但是如果計算機只會做加法，對于有些計算來說速度就會慢下來，所以要想計算機速度更快，一定要給計算機設計加減乘除積分微分的運算電路。

　　還需要設計更加復雜的數(shù)學電路，來輔助硬件電路來完成更多的功能，這些輔助硬件的電路會通過一定的規(guī)則來控制，這個規(guī)則就是軟件。

　　也就是說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CPU模塊里面，這樣CPU就可以高速調(diào)用里面的軟件進行運行了，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設計都是先使用軟件進行電路模塊的設計并模擬，然后根據(jù)模擬的成功的電路進行分立元件的搭建，然后單獨測試這些模塊的性能，最后把這些模塊集合在一起，構成一個由分立元件構成的巨大CPU。

　　這就是CPU原型了。

　　搭建CPU原型是一件代價極為高昂的事情，而且會產(chǎn)生極大的體積，畢竟無數(shù)的晶體管堆積在一起，這樣會直觀地進行CPU內(nèi)部電路的分析，還可以直觀地調(diào)整晶體管級別的設計，動態(tài)地改變晶體管參數(shù)來觀察它對CPU性能的影響。

　　英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾曾經(jīng)說過，當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍，這一定律揭示了信息技術進步的速度。

　　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。

　　不過并不是所有的晶體管集合在一起，而是分成一個個模塊，由上千人負責進行架構研究。

　　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幾百萬元成本，畢竟做這么一個光刻膜就需要不少的成本，何況還有上百臺專用機器設備的流水線運行。

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

　　目前的計算機CPU只是對手機CPU的深層次提升而已。

　　因為輝煌科技公司的CPU研發(fā)是通過這種從零開始的行為，不斷地砸錢，所以擁有了自己的CPU架構。

　　什么是CPU架構？

　　CPU架構是從分立原件到完整CPU的設計過程，這個過程中，每一個模塊的基本結構，就叫做CPU架構，以后的設計者只需要調(diào)用這些架構的模塊就行。

　　所以我們可以看到，很多架構廠商會進行架構版本的更新，這些架構版本更新，說的就是CPU原型的更新。

　　CPU原型里面的晶體管調(diào)整一次，那么這個架構版本就更新一次，性能也就增強一次。

　　目前全世界有很多架構版本，使用這些版本都是需要授權的，還需要不少的授權費，為什么呢？就是因為別人幫助做好了CPU原型。

　　在CPU架構的基礎上，芯片設計公司只需要直接調(diào)用架構里面的模塊進行設計就行了，不用進行分立元件的搭建，只需要使用軟件就可以進行CPU的設計。

　　目前全世界的CPU架構分為很多種。

　　X86架構，主要使用者是英特爾和AMD，主要是用到計算機CPU芯片。

　　ARM架構，被很多嵌入式公司使用，廣泛地使用在許多嵌入式有CPU設計里面，比如手機，平板電腦，游戲機等等。

　　MIPS架構，被很多公司用于服務器的CPU設計。

　　PowerPC架構，用于高端服務器 CPU 到嵌入式 CPU 市場。

　　SPARC架構，是RISC微處理器架構之一。

　　以上的CPU架構都是國外的產(chǎn)品，但是國內(nèi)也要有CPU架構了，那就是輝煌架構，輝煌科技公司重金打造的，從零開始的自己的架構。