《科幻洪荒,我成了云霄召唤兽》第60章 彩虹处理器架构 免费试读
辉煌科技公司半导体研究中心。
众多工作者正在加紧研究CPU所需的各种模块,如乘法器、除法器、加法器、解码器、编码器、数据选择器、触发器、锁存器、计数器、移位寄存器、存储器、放大器、模数转换器、数模转换器等等。
所有的运算都是由加法器实现的,加法器是计算机真正的基石,计算机所有的计算能力都是由加法器实现的。
设计CPU,首先要设计ALU,也就是设计加法器。计算机中的加法器包括全加器、纹波进位加法器和超前进位加法器。
加法器只能将二进制的一位相加。有了全加器,你可以把多位二进制数相加。只需连接多个全加器的输入和输出,就像你可以加多个位一样。
纹波进位加法器是将许多全加器串联起来的加法器,它可以将多个数字相加。
但这种加法器有一个缺陷,就是位运算太慢,每一位的计算都要等到最后一位的运算完成后才能进行,导致运算位数很大的情况下整个加法器的运算速度非常慢,所以纹波进位加法器只能用较少的位数做加法运算。
如果你想增加更多的位,你需要设计一个超前进位加法器。这种加法器不需要等待上一位运算结束,而是可以通过布尔运算直接得到当前位的值,计算方式是硬件计算。
所以,超前进位加法器也有缺陷,因为位数越多,电路越复杂,不仅会减慢运算速度,还会增加成本。
硬件布尔运算也需要加法器,所以超前进位加法器也是用全加器实现的,只是全加器多了,就构成了超前进位全加器。
这样,布尔运算模块和进位加法器相互包含,构成了极其复杂的结构。
但是不管多复杂,只要设计成功,以后就可以直接用了,不用再分析设计了。
除了加法器,还有减法、乘法、除法等等,这些都是CPU所必须的。
为了进行复杂的运算,CPU需要利用数值计算方法的原理,或者将各种数学函数转化为只有加减乘除的多项式,或者使用迭代计算,或者近似计算等。这是一个新的数学领域。
从数学上讲,减法可以转化为加法,乘法也可以转化为加法,除法可以转化为乘法,所以所有的运算都可以以加法为基础,所以计算机只能做加法,没有任何问题。
但是,如果计算机只能做加法,对于某些计算,速度会变慢。所以计算机要想更快,就要设计一个加减乘除积分微分的运算电路。
还需要设计更复杂的数学电路来辅助硬件电路完成更多的功能。这些辅助硬件电路会受到一定规则的控制,这个规则就是软件。
也就是说,CPU还有一部分是把软件翻译成硬件电路,然后把这些硬件电路烧录到CPU模块里,让CPU高速调用里面的软件运行,大大加快了速度。
以上只是CPU的电路原理,除了电路,还有电路的密度。
CPU设计就是用软件设计和仿真电路模块,然后根据仿真成功的电路构建分立元件,然后分别测试这些模块的性能,最后把这些模块组合在一起,形成一个由分立元件组成的庞大的CPU。
这是CPU的原型。
制造一个CPU原型是一件非常昂贵的事情,而且会产生巨大的体积。毕竟无数的晶体管堆在一起,会直观的分析出CPU的内部电路,也可以直观的调整晶体管级别的设计,动态的改变晶体管参数,观察其对CPU性能的影响。
英特尔的创始人之一戈登·摩尔曾说过,在价格不变的情况下,一个集成电路所能容纳的元件数量每18-24个月就会翻一番,性能也会翻一番。这个规律揭示了信息技术进步的速度。
所以辉煌科技公司目前的CPU原型非常庞大,有几百亿个晶体管。
但是并不是所有的晶体管都分组在一起,而是分成模块,几千人负责架构研究。
设置这种CPU原型的好处是,辉煌的科技公司不需要频繁的流片,因为芯片的流片成本极其昂贵。数百亿晶体管的流片,一次就要花费数百万元。毕竟制作这样的光刻膜成本很高,更不用说几百台专用机器设备的流水线了。
上述研究已经进行了很长时间。就这样,辉煌科技公司研发出了辉煌手机CPU。
目前电脑CPU只是手机CPU的深度提升。
因为辉煌科技公司的CPU研发就是通过这种从无到有,不断砸钱的行为,所以才有了自己的CPU架构。
什么是CPU架构?
CPU架构是一个从分立原件到完整CPU的设计过程。在这个过程中,每个模块的基本结构称为CPU架构,未来的设计师只需要调用这些架构的模块。
所以我们可以看到很多架构厂商都会更新架构版本。这些架构版本更新意味着CPU原型的更新。
CPU原型中的晶体管调整一次,架构版本更新一次,性能提升一次。
目前国际上有很多架构版本,这些版本的使用都需要授权,需要大量的授权费用。为什么?这是因为其他人帮助原型的CPU。
芯片设计公司在CPU架构的基础上,只需要直接调用架构中的模块进行设计,不需要搭建分立元件,只需要用软件来设计CPU。
目前世界上有很多CPU架构。
X86架构,主要用户是Intel和AMD,主要使用电脑CPU芯片。
ARM架构被很多嵌入式公司采用,广泛应用于很多嵌入式CPU设计中,比如手机、平板电脑、游戏机等等。
MIPS架构被许多公司用于服务器的CPU设计。
从高端服务器CPU到嵌入式CPU,市场上都在使用PowerPC架构。
SPARC体系结构是RISC微处理器体系结构的一种。
以上的CPU架构都是国外的产品,但是国内会有一种CPU架构,就是辉煌架构,由辉煌的科技公司花大价钱打造,从零开始。