第76章 精简指令集

　　根据2018年度中国海关的数据显示，中国集成电路进口金额为3100亿美元，比2017年增长19.8%。当时中国的半导体芯片国产化率不到20%，每年芯片的进口额超过原油（2018年中国原油进口金额为2402.6亿美元，4.02亿吨），由此可见芯片的重要性。

　　因为芯片之于电子设备的地位等同于发动机之于汽车，未来芯片会成为国家战略组成的重要一部分，是国家重点战略新兴产业，集成电路产业链的技术突破，将成为业界关注的焦点。

　　芯片是人们日常生活中很常见的沙子做出来到，经过复杂的加工后就变成了堪比黄金的物品。在芯片厂综合办公楼内，新世界的技术专家正在为石莫他们讲解一粒沙子的脱变之路，大致分为四个步骤。

　　第一步是打造“地基”硅晶圆。在沙子中加入碳，高温作用下转化成纯度约99.9%的硅（硅熔炼），经过融化从中拉出铅笔状的硅晶圆（硅锭），再使用钻石刀将硅晶柱切成圆片，抛光后便成为硅晶圆，芯片的地基完成。

　　第二步是光刻。首先在硅片上涂光刻胶，再使用紫外线透过掩膜照射光刻胶，掩膜上印着预先设计好的电路图案。光刻过程中曝光在紫外线下的光刻胶被溶解掉，清除后留下的图案和掩膜上的一致。后用化学物质溶解掉暴露出来的晶圆部分，剩下的光刻胶保护着不应该蚀刻的部分。蚀刻完成后，清除全部光刻胶，露出一个个凹槽。

　　第三步是掺杂（通过离子注入，赋予硅晶体管的特性）。把硼或磷注入到硅结构中，接着填充铜，以便和其他晶体管互连，然后可以在上面再涂一层胶，再做一层结构。一般一个芯片包含几十层结构，就像密集交织的高速公路。

　　第四步是封装测试。芯片做好后，用精细的切割器将芯片从晶圆上切下来，焊接到衬底基片上，用散热片装壳密封。经过测试后就可以包装销售了。

　　听完技术专家的讲解，石莫对芯片又有了更深的认识，现在新世界的第一款电脑在进行DQA研发测试中，由于时间紧急，工程师们正在边测试边解BUG，按照此时的研发进度，预计一两个星期后就可以定下来并开始贴片量产。

　　石莫最关心的是方舟Z1处理器在电脑上的表现效果，因为是要搭配图形界面系统，石莫怕这枚芯片性能不够，导致操作很卡，那电脑会卖不出去的。

　　于是石莫对马许愿说道：“马博士，我们的这枚芯片用在电脑上的实际表现如何？”

　　这两年公司投了重金在芯片项目上，时间紧，任务重，当时马许愿的心理压力很大，生怕他会一不小心给搞砸了，亏掉公司上百亿港币。现在初步完成了石莫安排的任务，整个人的放松了很多，不用每天绷着神经。最近马许愿都没有像去年那样每天加班熬夜奋战到凌晨了。

　　对于石莫的问话，马许愿微笑着的说道：“老板，在您英明的指导下，这枚芯片的性能超过了我们预期的一倍，加上数字协处理器和显示处理器这两枚芯片的加持，方舟Z1芯片组的性能只是比英特尔的8088微处理器差一点而已，因此系统运行的很是流畅。”

　　听后石莫有点得意的点点头，也很满意。

　　能取得这个成绩，石莫的功劳也是不小的，因为方舟芯片从研发之初就是按照他的思路来搞的，而马许愿他们则把石莫的设计理念实现了出来。

　　这枚芯片之所以性能爆表，不只是因为有数字协处理器和显示处理器的支持，还因为它使用的指令集是RISC（精简指令集），以及专门在此基础上研发设计的一种高性能和高功耗构架，此构架旨在提高处理器的性能，这是石莫特意要求的。

　　“精简指令集”有什么意义？这是相对于“复杂指令集”的一个概念，有什么优势？

　　要设计处理器，首先就需要有指令集，规定处理器的相应操作，通过指令集去控制处理器实现相应功能。

　　此时的处理器都是CISC架构（复杂指令集），包括英特尔的处理器，因为现在编译器的技术并不纯熟，因此微处理器的设计师会增加CPU指令的复杂性，以在每个计算周期内得到更多的计算。

　　但是后来有人发现，整个指令集中，只有约20％的指令常常会被使用到，大约占了整个程序的80％；剩余80％的指令，只占了整个程序的20％。（典型的二八原则）

　　于是，在1979年美国加州大学伯克利分校的David  Patterson教授领导的伯克利团队提出了RISC的想法，也就是精简指令集计算机。他们认为，处理指令过快将使得在每个周期内的行为将更少，主张硬件应该专心加速常用的指，较为复杂的指令则利用常用的指令去组合。

　　作为一个纯理念研究，RISC听起来很具吸引力。但是它可行吗?两年前在石莫干涉下，马许愿的设计团队将赌注押在了这上面。1980年，团队开始研发被称为“方舟”的8位RISC处理器(即一种简洁、高性能、具有高度扩展性的RISC架构)，打算将这一芯片用在个人电脑产品线上。

　　当时研发遇到了很大的压力，许多公司内部人士对“方舟”能否取得成功表示出怀疑。探索RISC概念真的可行吗，但在石莫的强力支持下，庆幸的是最终取得了的成功，而且比预期效果要好很多。首枚方舟处理器，每秒60万个指令，这比英特尔的复杂指令集8080处理器计算机要快一倍。

　　新世界公司研发的第一个高性能的处理器构架代号为“V1”，此构架是为了针对日益增长的消费娱乐和有线桌面产品设计，用于具有高计算要求、运行丰富操作系统及提供交互媒体和图形体验的应用领域，如桌面电脑、服务器、数字电视等。是的，石莫打算将方舟芯片用在未来即将出现的高利润的工作站和服务器中。

　　除了针对高性能的“V1”构架，后面新世界公司还会着手研发设计几个不同用途的构架。一个是主打安全的构架，主要用于政府安全芯片。一个主打工业方面的构架，主要针对的是嵌入式系统的市场。

　　未来还将研发一个低功耗的构架，该构架面向微控制器领域，主要针对成本和功耗敏感的应用，充分发挥精简指令集的优势。因为RISC通过精简CISC指令种类，格式，简化寻址等方式，可以达到省电高效的效果。

　　石莫发展精简指令集，也是在布局未来。他知道ARM公司就是凭着在低功耗方面的DNA，又刚好赶上了移动设备爆发式发展的时代，最终造就了它的辉煌。


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