淺談微處理器設(shè)計(jì)規(guī)劃

摘要：微處理器設(shè)計(jì)是一門高、精、尖學(xué)科，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)工程領(lǐng)域。該文主要論述了微處理器設(shè)計(jì)的規(guī)劃步驟，主要包括設(shè)計(jì)的基本流程、處理器分類介紹、處理器設(shè)計(jì)類型和設(shè)計(jì)時(shí)間、產(chǎn)品成本的現(xiàn)狀，分析了其發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：微處理器；半導(dǎo)體；產(chǎn)品成本

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2013）10-2479-03

1 概述

像任何產(chǎn)品一樣，微處理器也必須開(kāi)始于一個(gè)規(guī)劃，而這個(gè)規(guī)劃不僅需要闡明這個(gè)產(chǎn)品的概念，還必須講明怎樣將它制造出來(lái)。這個(gè)概念需要包含將運(yùn)行的應(yīng)用類型以及性能、功耗和成本的目標(biāo)。這個(gè)規(guī)劃將包含對(duì)設(shè)計(jì)時(shí)間、設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)規(guī)模的估算以及大體的設(shè)計(jì)方法的選擇。

2 微處理器設(shè)計(jì)的基本流程

2.1 定義結(jié)構(gòu)

這個(gè)過(guò)程需要考慮哪些指令可以在處理器上執(zhí)行以及這些指令將如何編碼。這將決定我們是可以使用已經(jīng)存在的軟件還是需要對(duì)軟件進(jìn)行修改，或完全重新編寫(xiě)軟件。因?yàn)樗鼪Q定了可用的軟件基礎(chǔ)，所以結(jié)構(gòu)的選擇對(duì)處理器上最終如何應(yīng)用有著巨大的影響。設(shè)計(jì)規(guī)劃和對(duì)結(jié)構(gòu)的定義是項(xiàng)目的設(shè)計(jì)定制階段，因?yàn)橥瓿闪诉@些階段才可以開(kāi)始設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

盡管一個(gè)處理器的結(jié)構(gòu)決定了可以執(zhí)行的指令，，但是微結(jié)構(gòu)卻決定著這些指令執(zhí)行的方式。也就是說(shuō)結(jié)構(gòu)上的改變對(duì)于編程人員則是透明的。微結(jié)構(gòu)定義了處理器中的不同功能單元，以及它們之間是如何互相作用和劃分工作的。這將決定每一個(gè)時(shí)鐘周期的性能，還將對(duì)最終可以實(shí)現(xiàn)的時(shí)鐘速率有重大影響。

2.2 設(shè)計(jì)階段

1）邏輯設(shè)計(jì)階段將微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)劃分為很多個(gè)階段，每一個(gè)階段都要足夠小以證明處理器的邏輯行為是正確的。

2）電路設(shè)計(jì)是用晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn)寄存器傳輸級(jí)語(yǔ)言（RTL）所確立的邏輯。在這個(gè)階段主要關(guān)注的是對(duì)設(shè)計(jì)的時(shí)鐘頻率和功率的模擬。

3）版圖設(shè)計(jì)決定那些組成電路設(shè)計(jì)中的晶體管和導(dǎo)線的不同材料層的擺放位置。這個(gè)階段的核心是在最小的區(qū)域內(nèi)勾畫(huà)出所需要的電路，這個(gè)電路還應(yīng)該是可以制造出來(lái)的。

4）物理設(shè)計(jì)。物理設(shè)計(jì)的最后實(shí)現(xiàn)過(guò)程稱為流片。以前，當(dāng)完成版圖以后，將所有需要的版圖拷貝到一個(gè)磁帶中，送到工廠以便開(kāi)始制造過(guò)程。將磁帶送到工廠去，就稱為去流片。

3 處理器分類介紹

1）服務(wù)器和工作站是所有產(chǎn)品中最為昂貴的，所以也負(fù)擔(dān)得起使用最昂貴的微處理器的費(fèi)用。性能和可靠性是最主要的考慮因素，而成本則相對(duì)次要一些。絕大多數(shù)服務(wù)器處理器都帶有內(nèi)聯(lián)的多處理器支持，以便由多個(gè)處理器來(lái)搭建計(jì)算機(jī)。為了使處理器能夠?qū)薮蟮臄?shù)據(jù)集合進(jìn)行操作，傾向于使用巨大的高速緩存。這些高速緩存可能具有校驗(yàn)位或者糾錯(cuò)碼（ECC）以便提高可靠性。

高端服務(wù)器市場(chǎng)趨向于容許高的功率水平，但是對(duì)于在很小的物理空間內(nèi)提供巨大的計(jì)算機(jī)效能的“處理器農(nóng)場(chǎng)”的需求，導(dǎo)致了低功率服務(wù)器的出現(xiàn)。

2）典型的臺(tái)式計(jì)算機(jī)只有一個(gè)使用者，所以必須限制它們的價(jià)格，以使其在價(jià)格上是可以接收的。臺(tái)式計(jì)算機(jī)市場(chǎng)經(jīng)過(guò)進(jìn)一步挑選，尋找包含高性能、主流應(yīng)用以及價(jià)格上合適的處理器。高端的臺(tái)式計(jì)算機(jī)可能會(huì)使用那些性能接近于服務(wù)器處理器、在價(jià)格上也接近的處理器。這些設(shè)計(jì)將會(huì)把圓片尺寸和功率水平逼到臺(tái)式計(jì)算機(jī)市場(chǎng)可以承受的極限。主流的臺(tái)式計(jì)算機(jī)市場(chǎng)試圖平衡成本與性能，所以這些設(shè)計(jì)必須反復(fù)衡量每一次的性能提高和在成本與功率方面的增加。價(jià)格低廉的處理器瞄準(zhǔn)的目標(biāo)是低成本的臺(tái)式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它們提供的性能稍差，但是價(jià)格非常便宜。這些設(shè)計(jì)通常在開(kāi)始時(shí)會(huì)設(shè)置一個(gè)確定的成本目標(biāo)，在保證成本為最優(yōu)先的情況下提供最大限度的性能。

3）隨著移動(dòng)計(jì)算機(jī)市場(chǎng)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了專門為移動(dòng)應(yīng)用定制的處理器設(shè)計(jì)。這些設(shè)計(jì)中的一些是為臺(tái)式計(jì)算機(jī)的替代品—筆記本電腦設(shè)計(jì)的。這些處理器的功率必須足夠低，才能成功地進(jìn)行散熱，同時(shí)還要提供與臺(tái)式計(jì)算機(jī)同等的性能。其它一些功率優(yōu)化的處理器是被設(shè)計(jì)應(yīng)用在那些電池電量較少的移動(dòng)計(jì)算機(jī)中。這些設(shè)計(jì)在開(kāi)始時(shí)通常設(shè)計(jì)一個(gè)確定的功率預(yù)算，并且試圖在功率運(yùn)算之內(nèi)提供最大限度的性能。

4）嵌入式處理器是那些除計(jì)算以外的產(chǎn)品中所使用的處理器。成本最低的嵌入式處理器在各種各樣的產(chǎn)品，從微波爐到洗衣機(jī)中都有應(yīng)用。這些產(chǎn)品中許多對(duì)性能的要求都很低，它們?cè)谶x擇處理器時(shí)基本上主要考慮成本。

4 處理器設(shè)計(jì)類型和設(shè)計(jì)時(shí)間

4.1 設(shè)計(jì)類型

1）領(lǐng)先設(shè)計(jì)。從草圖開(kāi)始的設(shè)計(jì)被稱為領(lǐng)先設(shè)計(jì)。它們通過(guò)允許設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)從底向上地進(jìn)行新的設(shè)計(jì)，提供了最大潛力的性能改進(jìn)和新特性的添加。由于進(jìn)行一個(gè)全新的設(shè)計(jì)的不確定性，它們也面臨著最大的危險(xiǎn)。要預(yù)測(cè)領(lǐng)先設(shè)計(jì)需要多長(zhǎng)時(shí)間來(lái)完成以及預(yù)測(cè)它們完工時(shí)的性能和圓片尺寸是一件非常困難的事情。由于這些風(fēng)險(xiǎn)的存在，領(lǐng)先設(shè)計(jì)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較少見(jiàn)。

2）增生產(chǎn)品、壓縮產(chǎn)品、變異產(chǎn)品。壓縮產(chǎn)品選取一個(gè)完成的設(shè)計(jì)，然后將它放到新的制造工藝下，同時(shí)在邏輯上作少許改變或者不作改變。新工藝允許在更低的成本下制造出一個(gè)設(shè)計(jì)，而且可能會(huì)獲得更高的頻率或者更低的功率。變異產(chǎn)品在原始設(shè)計(jì)上添加了一些重大的邏輯特性，，但是不改變制造工藝。所添加的特性可能是更大的高速緩存、新指令或者提高的性能。增生產(chǎn)品改變制造工藝并且會(huì)作一些重大的邏輯改變。

3）重新封裝產(chǎn)品

制造一個(gè)新處理器的最簡(jiǎn)單方式是重新封裝一個(gè)已經(jīng)存在的設(shè)計(jì)。一個(gè)新封裝可以瞄準(zhǔn)低價(jià)市場(chǎng)降低成本，或者使一個(gè)處理器可以在它以前物理上不適合的應(yīng)用中使用。在這些情況下，唯一的設(shè)計(jì)工作是對(duì)設(shè)計(jì)在新的封裝和平臺(tái)上重新進(jìn)行驗(yàn)證。

4.2 設(shè)計(jì)時(shí)間

一個(gè)設(shè)計(jì)所需要的實(shí)際時(shí)間還依賴于整體設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，還有所使用的自動(dòng)化的程度以及設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的規(guī)模。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)越大，為了管理和組織團(tuán)隊(duì)在人事上所需要的付出就越多，讓團(tuán)隊(duì)的規(guī)模更加大。對(duì)于數(shù)百人的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，人與人之間的問(wèn)題可以清楚地交流，責(zé)任以及組織將成為與設(shè)計(jì)的技術(shù)問(wèn)題同等重要的問(wèn)題。

5 產(chǎn)品成本

決定任何產(chǎn)品在商業(yè)上是成功還是失敗最關(guān)鍵的一個(gè)因素就是制造這個(gè)產(chǎn)品需要多少成本。對(duì)于所有的處理器來(lái)說(shuō)，制造的過(guò)程開(kāi)始于一張空白的硅圓片。硅圓片是由圓柱形的鑄模切割而成，必須是高純凈的而且是完全平整的。隨著時(shí)間的發(fā)展，業(yè)界所使用的圓片尺寸也越來(lái)越大。從而使得可以在一張硅圓片上制造更多的芯片。2004年，使用的最普遍的是直徑為200mm的硅圓片，直徑為300mm的硅圓片的典型價(jià)格大約是20美元，而直徑為200mm的硅圓片則是200美元。

1）制造一個(gè)處理器的成本絕大部分來(lái)自制造它們的生產(chǎn)設(shè)備。材料消耗以及操作設(shè)備的人力成本是非常巨大的，然而它們卻無(wú)法彌補(bǔ)生產(chǎn)設(shè)備折價(jià)所帶來(lái)的損失。這些工廠斥資數(shù)十億用于制造設(shè)備，而這些設(shè)備在短短幾年間就會(huì)被淘汰。這意味著制造設(shè)備的折價(jià)金額每天能超過(guò)10萬(wàn)美元。這個(gè)成本必須由制造廠的產(chǎn)出予以收回，而這個(gè)成本卻不依賴于所制造的圓片數(shù)量。因此，決定處理器圓片成本的最大因素通常是廠家設(shè)備的使用效率。制造商所生產(chǎn)的圓片數(shù)越多，每個(gè)圓片有效的成本額就越低。

2）制造廠的特性，包括利用率、材料成本以及人力消耗將會(huì)決定制造一個(gè)圓片的成本是多少。芯片的尺寸將會(huì)決定單個(gè)芯片的成本。制造一個(gè)圓片的成本并不會(huì)隨著芯片數(shù)目的變化有太大的變動(dòng)，，所以芯片的尺寸越小，每個(gè)芯片的成本就越低。每一個(gè)圓片可以包含的芯片的總數(shù)目可以估計(jì)如下：

4）當(dāng)芯片還在圓片上時(shí)就會(huì)對(duì)它進(jìn)行測(cè)試，以盡早發(fā)現(xiàn)失效的芯片。只有用過(guò)了這種測(cè)試的芯片才會(huì)被封裝。對(duì)芯片的封裝過(guò)程以及封裝的材料本身都會(huì)極大地提高產(chǎn)品的成本。組裝芯片以及封裝的成本可以用一些基本的成本再加上一些隨著封裝管腳數(shù)增多所施加的增量成本來(lái)模擬。

封裝成本=基本封裝成本+（每個(gè)管腳的成本*管腳數(shù)目）

基本封裝成本主要是由這個(gè)封裝能夠散逸的最大功率密度來(lái)決定的，低成本的塑料封裝其基本成本可能只有數(shù)美元，每增加一個(gè)管腳僅僅增加0.5美分，但是卻限制總功率低于3W。高成本、高頻率的封裝可能允許功率密度高達(dá)100W/[cm2]，但是其基本成本需要10～20美元，再加上每個(gè)管腳1～2美分的成本。如果高性能處理器的功率密度繼續(xù)增長(zhǎng)，封裝部分的成本可能會(huì)占到總產(chǎn)品成本中更大的部分。

6 總結(jié)

每一個(gè)處理器都開(kāi)始于一個(gè)立意。設(shè)計(jì)規(guī)劃是處理器設(shè)計(jì)的第一個(gè)步驟，它也可能是其中最重要的一步。也就是說(shuō)，設(shè)計(jì)規(guī)劃要回答的是處理器設(shè)計(jì)的類型、目標(biāo)性能、設(shè)計(jì)時(shí)間、設(shè)計(jì)人員、最終成本的問(wèn)題。所以，設(shè)計(jì)的真正挑戰(zhàn)是如何充分地了解自己負(fù)責(zé)的步驟，從而做出正確的選擇。

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