从4004到core i7——论处理器的进化史-概揽

在这个系列的帖子当中，我将试图以简短的篇幅向外行人介绍CPU的发展史。

现代人类文明是刻在芯片上的，这毋庸置疑。集成电路，简写为IC，这种刻有多达数十亿只晶体管的硅片已经成为数字世界绝对的核心。

CPU是IC设计中的奥林匹克。在本文中，我将试图展现人类的心智如何将最简单的元器件——场效应管一步步发展为拥有超过10亿个零件的有史以来建造过的最复杂的机器。

由于篇幅和深度的限制，我将不会过多涉及器件、电路层的知识，而将重点放在整体的思路、架构上。

阅读基础：

最基础的电路、逻辑知识

建筑师无法不用砖瓦、钢梁或是木材搭建摩天大厦，IC设计师也是一样。

建筑师的类比有助于我们了解IC设计与常规意义上设计的共通与不同之处。

建筑师在三维空间中设计房屋的物理结构，IC设计师大多在贴近硅片的“近低空”搭建电路。

建筑师操纵的是宏观物体，现在的IC设计师早已深入深亚微米级别。举个例子，intel发明的高k栅极中门极绝缘层的厚度最小大约是4个晶格点阵中排成直线的原子队列的长度。

建筑师使用最简单的几何体：长方体、圆柱体、薄板，IC设计师也用最简单的器件搭建电路。这是个显而易见的事实：如果元器件的性质复杂，那么互相作用之后整体的复杂度将难以想象。一个建筑师无法用不规则多面体搭建出帝国大厦。

建筑师不是泥瓦匠或者土木工程师，他将设计图纸传递给后两者，由他们完成实际工程的建造。IC设计师也不是半导体物理学家，他从器件制造者手中拿到对器件——IC设计中的砖瓦——的外特性的抽象，借此完成设计，并且也将图纸再传回后者手中完成实际的流片。

建筑师的工作是在无数种能完成指定功能的房屋设计方案中拿出最美、最实用、最坚固的一种。IC设计师的工作也类似，即在所有可行方案中优化筛选使得某种指标最大化，比如说，速度、功耗、面积等。当目前不存在可行的方案时，无论是建筑师或IC设计师的工作都变得极具开拓性和挑战性。

建筑师的工程——房屋一旦完成需要通过严格的质量验收。IC设计师的工程——芯片制造出来后也要通过功能和性能的双重验证。前者决定该片是否能够出售，后者决定该片的价格。可以想象，现代CPU的复杂度惊人，对其的验证也是一项需要精心规划的复杂工程。事实上，芯片验证的费用常常占到总体研发费用的一半以上。