第68章 计算机架构攻关
辉煌科技公司半导体研究中心。
无数工作人员正在加紧研究CPU需要的各种模块，比如乘法器、除法器、加法器、译码器、编码器、数据选择器、触发器、锁存器、计数器、移位寄存器、储存器、放大器、模拟数字转换器、数字模拟转换器等等。
所有运算都是加法器实现的，加法器是计算机真正的基石，计算机一切的计算能力，都是由加法器实现的。
设计CPU首先就要设计ALU，也就是设计加法器，计算机内部的加法器有全加器、纹波进位加法器、超前进位加法器。
一个全加器只能进行一位二进制的加法，有了全加器以后，就能做多位二进制数的加法了，只要把多个全加器的输入和输出连起来，就像可以实现多位的加法。
纹波进位加法器就是一个把许多个全加器串联起来的加法器，它能进行多位数的加法运算。
但这种加法器有种缺陷，就是bit位运算太慢，每个bit位的计算都要等到上个bit的运算结束后才能进行运算，导致如果运算位数非常之多的话，整个加法器运算会非常缓慢，所以纹波进位加法器只能做bit位较少的加法计算。
如果要进行bit位较多的加法计算，就要设计超前进位加法器，这种加法器不需要等上一位的运算结束，而是直接就可以通过布尔运算得出当前位的值，而计算的方式是利用硬件计算。
所以超前进位加法器也有缺陷，因为要利用硬件进行布尔运算，位数越多电路就越复杂，这样不仅运算会变慢，成本也会变高。
而用硬件进行布尔运算也需要用到加法器，所以超前进位加法器也是由全加法器实现的，只不过拥有更多的全加器，构成了超前进位全加器。
这样布尔运算模块和超前进位加法器互相包含，构成了极为复杂的结构。
但是不管怎么复杂，只要设计成功，以后就可以直接拿来用，不用再次分析和设计。
除了加法器之外还有减法，乘法，除法，等等，这是CPU必须的。
CPU要进行复杂的运算，需要利用数值计算方法的原理，或是将各种数学函数变换变为只有加减乘除的多项式，或是使用迭代的方式计算，或是近似计算等等，这又是一个新的数学领域。
从数学角度来说，减法是可以转换成加法运算的，乘法同样可以转换成加法运算，除法可以转换成乘法运算，所以一切的运算都可以以加法运算为基础，所以计算机只会做加法也没有问题。
但是如果计算机只会做加法，对于有些计算来说速度就会慢下来，所以要想计算机速度更快，一定要给计算机设计加减乘除积分微分的运算电路。
还需要设计更加复杂的数学电路，来辅助硬件电路来完成更多的功能，这些辅助硬件的电路会通过一定的规则来控制，这个规则就是软件。
也就是说CPU里面还有一部分是把软件翻译成硬件电路，然后将这部分硬件电路烧进CPU模块里面，这样CPU就可以高速调用里面的软件进行运行了，极大地加快了速度。
上面的仅仅是CPU的电路原理，除了电路以外还有电路的密度。
CPU设计都是先使用软件进行电路模块的设计并模拟，然后根据模拟的成功的电路进行分立元件的搭建，然后单独测试这些模块的性能，最后把这些模块集合在一起，构成一个由分立元件构成的巨大CPU。
这就是CPU原型了。
搭建CPU原型是一件代价极为高昂的事情，而且会产生极大的体积，毕竟无数的晶体管堆积在一起，这样会直观地进行CPU内部电路的分析，还可以直观地调整晶体管级别的设计，动态地改变晶体管参数来观察它对CPU性能的影响。
英特尔创始人之一戈登·摩尔曾经说过，当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍，这一定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原型是非常巨大的，足足上亿晶体管。
——————
组建这种CPU原型的好处是，辉煌科技公司太需要频繁的流片，要知道芯片的流片市代价极为高昂的，像这种上亿晶体管的流片，一次流片就需要耗费几百万元成本，毕竟做这么一个光刻膜就需要不少的成本，何况还有上百台专用机器设备的流水线运行。
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无数工作人员正在加紧研究CPU需要的各种模块，比如乘法器、除法器、加法器、译码器、编码器、数据选择器、触发器、锁存器、计数器、移位寄存器、储存器、放大器、模拟数字转换器、数字模拟转换器等等。
所有运算都是加法器实现的，加法器是计算机真正的基石，计算机一切的计算能力，都是由加法器实现的。
设计CPU首先就要设计ALU，也就是设计加法器，计算机内部的加法器有全加器、纹波进位加法器、超前进位加法器。
一个全加器只能进行一位二进制的加法，有了全加器以后，就能做多位二进制数的加法了，只要把多个全加器的输入和输出连起来，就像可以实现多位的加法。
纹波进位加法器就是一个把许多个全加器串联起来的加法器，它能进行多位数的加法运算。
但这种加法器有种缺陷，就是bit位运算太慢，每个bit位的计算都要等到上个bit的运算结束后才能进行运算，导致如果运算位数非常之多的话，整个加法器运算会非常缓慢，所以纹波进位加法器只能做bit位较少的加法计算。
如果要进行bit位较多的加法计算，就要设计超前进位加法器，这种加法器不需要等上一位的运算结束，而是直接就可以通过布尔运算得出当前位的值，而计算的方式是利用硬件计算。
所以超前进位加法器也有缺陷，因为要利用硬件进行布尔运算，位数越多电路就越复杂，这样不仅运算会变慢，成本也会变高。
而用硬件进行布尔运算也需要用到加法器，所以超前进位加法器也是由全加法器实现的，只不过拥有更多的全加器，构成了超前进位全加器。
这样布尔运算模块和超前进位加法器互相包含，构成了极为复杂的结构。
但是不管怎么复杂，只要设计成功，以后就可以直接拿来用，不用再次分析和设计。
除了加法器之外还有减法，乘法，除法，等等，这是CPU必须的。
CPU要进行复杂的运算，需要利用数值计算方法的原理，或是将各种数学函数变换变为只有加减乘除的多项式，或是使用迭代的方式计算，或是近似计算等等，这又是一个新的数学领域。
从数学角度来说，减法是可以转换成加法运算的，乘法同样可以转换成加法运算，除法可以转换成乘法运算，所以一切的运算都可以以加法运算为基础，所以计算机只会做加法也没有问题。
但是如果计算机只会做加法，对于有些计算来说速度就会慢下来，所以要想计算机速度更快，一定要给计算机设计加减乘除积分微分的运算电路。
还需要设计更加复杂的数学电路，来辅助硬件电路来完成更多的功能，这些辅助硬件的电路会通过一定的规则来控制，这个规则就是软件。
也就是说CPU里面还有一部分是把软件翻译成硬件电路，然后将这部分硬件电路烧进CPU模块里面，这样CPU就可以高速调用里面的软件进行运行了，极大地加快了速度。
上面的仅仅是CPU的电路原理，除了电路以外还有电路的密度。
CPU设计都是先使用软件进行电路模块的设计并模拟，然后根据模拟的成功的电路进行分立元件的搭建，然后单独测试这些模块的性能，最后把这些模块集合在一起，构成一个由分立元件构成的巨大CPU。
这就是CPU原型了。
搭建CPU原型是一件代价极为高昂的事情，而且会产生极大的体积，毕竟无数的晶体管堆积在一起，这样会直观地进行CPU内部电路的分析，还可以直观地调整晶体管级别的设计，动态地改变晶体管参数来观察它对CPU性能的影响。
英特尔创始人之一戈登·摩尔曾经说过，当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍，这一定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原型是非常巨大的，足足上亿晶体管。
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组建这种CPU原型的好处是，辉煌科技公司太需要频繁的流片，要知道芯片的流片市代价极为高昂的，像这种上亿晶体管的流片，一次流片就需要耗费几百万元成本，毕竟做这么一个光刻膜就需要不少的成本，何况还有上百台专用机器设备的流水线运行。
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