第68章 計算機架構攻關
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輝煌科技公司半導體研究中心。無數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、數據選擇器、觸發器、鎖存器、計數器、移位暫存器、儲存器、放大器、模擬數字轉換器、數字模擬轉換器等等。所有運算都是加法器實現的，加法器是計算機真正的基石，計算機一切的計算能力，都是由加法器實現的。設計CPU首先就要設計ALU，也就是設計加法器，計算機內部的加法器有全加器、紋波進位加法器、超前進位加法器。一個加法器隻能進行一位二進製的加法，有了全加器以後，就能做多位二進製數的加法了，隻要把多個全加器的輸入和輸出連起來，就像可以實現多位的加法。紋波進位加法器就是一個把許多個全加器串聯起來的加法器，它能進行多位數的加法運算。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的運算結束後才能進行運算，導致如果運算位數非常之多的話，整個加法器運算會非常緩慢，所以紋波進位加法器隻能做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體計算。所以超前進位加法器也有缺陷，因為要利用硬體進行布爾運算，位數越多電路就越複雜，這樣不僅運算會變慢，成本也會變高。而用硬體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的，隻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，構成了極為複雜的結構。但是不管怎複雜，隻要設計成功，以後就可以直接拿來用，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要進行複雜的運算，需要利用數值計算方法的原理，或是將各種數學函數變換變為隻有加減乘除的多項式，或是使用迭代的方式計算，或是近似計算等等，這又是一個新的數學領域。從數學角度來說，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，所以計算機隻會做加法也冇有問題。但是如果計算機隻會做加法，對於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。還需要設計更加複雜的數學電路，來輔助硬體電路來完成更多的功能，這些輔助硬體的電路會通過一定的規則來控製，這個規則就是軟件。也就是說CPU麵還有一部分是把軟件翻譯成硬體電路，然後將這部分硬體電路燒進CPU模塊麵，這樣CPU就可以高速調用麵的軟件進行運行了，極大地加快了速度。上麵的僅僅是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並模擬，然後根據模擬的成功的電路進行分立元件的搭建，然後單獨測試這些模塊的效能，最後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，而且會產生極大的體積，畢竟無數的晶體管堆積在一起，這樣會直觀地進行CPU內部電路的分析，還可以直觀地調整晶體管級別的設計，動態地改變晶體管參數來觀察它對CPU效能的影響。英特爾創始人之一戈登·摩爾曾經說過，當價格不變時，整合電路上可容納的元器件的數目，約每隔18-24個月便會增加一倍，效能也將提升一倍，這一定律揭示了資訊技術進步的速度。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。不過並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，要知道晶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，畢竟做這一個光刻膜就需要不少的成本，何況還有上百台專用機器設備的流水線運行。上麵的這種研究已經持續了五年多的時間，用這種方法，輝煌科技公司已經研究出了輝煌手機CPU。目前的計算機CPU隻是對手機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，以後的設計者隻需要調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原型麵的晶體管調整一次，那這個架構版本就更新一次，效能也就增強一次。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，為什呢？就是因為別人幫助做好了CPU原型。在CPU架構的基礎上，晶片設計公司隻需要直接調用架構麵的模塊進行設計就行了，不用進行分立元件的搭建，隻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晶片。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設計麵，比如手機，平板電腦，遊戲機等等。MIPS架構，被很多公司用於服務器的CPU設計。PowerPC架構，用於高階服務器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架構都是國外的產品，但是國內也要有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。
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