摘要：微處理器設(shè)計是一門高、精、尖學(xué)科，廣泛應(yīng)用于計算機(jī)工程領(lǐng)域。該文主要論述了微處理器設(shè)計的規(guī)劃步驟，主要包括設(shè)計的基本流程、處理器分類介紹、處理器設(shè)計類型和設(shè)計時間、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：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）10-2479-03

1 概述

像任何產(chǎn)品一樣，微處理器也必須開始于一個規(guī)劃，而這個規(guī)劃不僅需要闡明這個產(chǎn)品的概念，還必須講明怎樣將它制造出來。這個概念需要包含將運(yùn)行的應(yīng)用類型以及性能、功耗和成本的目標(biāo)。這個規(guī)劃將包含對設(shè)計時間、設(shè)計團(tuán)隊規(guī)模的估算以及大體的設(shè)計方法的選擇。

2 微處理器設(shè)計的基本流程

2.1 定義結(jié)構(gòu)

這個過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軟件進(jìn)行修改，或完全重新編寫軟件。因?yàn)樗鼪Q定了可用的軟件基礎(chǔ)，所以結(jié)構(gòu)的選擇對處理器上最終如何應(yīng)用有著巨大的影響。設(shè)計規(guī)劃和對結(jié)構(gòu)的定義是項(xiàng)目的設(shè)計定制階段，因?yàn)橥瓿闪诉@些階段才可以開始設(shè)計的實(shí)現(xiàn)過程。

盡管一個處理器的結(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。也就是說結(jié)構(gòu)上的改變對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。這將決定每一個時鐘周期的性能，還將對最終可以實(shí)現(xiàn)的時鐘速率有重大影響。

2.2 設(shè)計階段

1）邏輯設(shè)計階段將微結(jié)構(gòu)的設(shè)計劃分為很多個階段，每一個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)計是用晶體管來實(shí)現(xiàn)寄存器傳輸級語言（RTL）所確立的邏輯。在這個階段主要關(guān)注的是對設(shè)計的時鐘頻率和功率的模擬。

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

4）物理設(shè)計。物理設(shè)計的最后實(shí)現(xiàn)過程稱為流片。以前，當(dāng)完成版圖以后，將所有需要的版圖拷貝到一個磁帶中，送到工廠以便開始制造過程。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，以便由多個處理器來搭建計算機(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)位或者糾錯碼（ECC）以便提高可靠性。

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

2）典型的臺式計算機(jī)只有一個使用者，所以必須限制它們的價格，以使其在價格上是可以接收的。臺式計算機(jī)市場經(jīng)過進(jìn)一步挑選，尋找包含高性能、主流應(yīng)用以及價格上合適的處理器。高端的臺式計算機(jī)可能會使用那些性能接近于服務(wù)器處理器、在價格上也接近的處理器。這些設(shè)計將會把圓片尺寸和功率水平逼到臺式計算機(jī)市場可以承受的極限。主流的臺式計算機(jī)市場試圖平衡成本與性能，所以這些設(shè)計必須反復(fù)衡量每一次的性能提高和在成本與功率方面的增加。價格低廉的處理器瞄準(zhǔn)的目標(biāo)是低成本的臺式計算機(jī)系統(tǒng)，它們提供的性能稍差，但是價格非常便宜。這些設(shè)計通常在開始時會設(shè)置一個確定的成本目標(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）隨著移動計算機(jī)市場的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了專門為移動應(yīng)用定制的處理器設(shè)計。這些設(shè)計中的一些是為臺式計算機(jī)的替代品—筆記本電腦設(shè)計的。這些處理器的功率必須足夠低，才能成功地進(jìn)行散熱，同時還要提供與臺式計算機(jī)同等的性能。其它一些功率優(yōu)化的處理器是被設(shè)計應(yīng)用在那些電池電量較少的移動計算機(jī)中。這些設(shè)計在開始時通常設(shè)計一個確定的功率預(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)品中許多對性能的要求都很低，它們在選擇處理器時基本上主要考慮成本。

4 處理器設(shè)計類型和設(shè)計時間

4.1 設(shè)計類型

1）領(lǐng)先設(shè)計。從草圖開始的設(shè)計被稱為領(lǐng)先設(shè)計。它們通過允許設(shè)計團(tuán)隊從底向上地進(jìn)行新的設(shè)計，提供了最大潛力的性能改進(jìn)和新特性的添加。由于進(jìn)行一個全新的設(shè)計的不確定性，它們也面臨著最大的危險。要預(yù)測領(lǐng)先設(shè)計需要多長時間來完成以及預(yù)測它們完工時的性能和圓片尺寸是一件非常困難的事情。由于這些風(fēng)險的存在，領(lǐng)先設(shè)計相對來說比較少見。

2）增生產(chǎn)品、壓縮產(chǎn)品、變異產(chǎn)品。壓縮產(chǎn)品選取一個完成的設(shè)計，然后將它放到新的制造工藝下，同時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設(shè)計，而且可能會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作一些重大的邏輯改變。

3）重新封裝產(chǎn)品

制造一個新處理器的最簡單方式是重新封裝一個已經(jīng)存在的設(shè)計。一個新封裝可以瞄準(zhǔn)低價市場降低成本，或者使一個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)計工作是對設(shè)計在新的封裝和平臺上重新進(jìn)行驗(yàn)證。

4.2 設(shè)計時間

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

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)鍵的一個因素就是制造這個產(chǎn)品需要多少成本。對于所有的處理器來說，制造的過程開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。隨著時間的發(fā)展，業(yè)界所使用的圓片尺寸也越來越大。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）制造一個處理器的成本絕大部分來自制造它們的生產(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，然而它們卻無法彌補(bǔ)生產(chǎn)設(shè)備折價所帶來的損失。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被淘汰。這意味著制造設(shè)備的折價金額每天能超過10萬美元。這個成本必須由制造廠的產(chǎn)出予以收回，而這個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決定制造一個圓片的成本是多少。芯片的尺寸將會決定單個芯片的成本。制造一個圓片的成本并不會隨著芯片數(shù)目的變化有太大的變動，，所以芯片的尺寸越小，每個芯片的成本就越低。每一個圓片可以包含的芯片的總數(shù)目可以估計如下：

4）當(dāng)芯片還在圓片上時就會對它進(jìn)行測試，以盡早發(fā)現(xiàn)失效的芯片。只有用過了這種測試的芯片才會被封裝。對芯片的封裝過程以及封裝的材料本身都會極大地提高產(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模擬。

封裝成本=基本封裝成本+（每個管腳的成本*管腳數(shù)目）

基本封裝成本主要是由這個封裝能夠散逸的最大功率密度來決定的，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，封裝部分的成本可能會占到總產(chǎn)品成本中更大的部分。

6 總結(jié)

每一個處理器都開始于一個立意。設(shè)計規(guī)劃是處理器設(shè)計的第一個步驟，它也可能是其中最重要的一步。也就是說，設(shè)計規(guī)劃要回答的是處理器設(shè)計的類型、目標(biāo)性能、設(shè)計時間、設(shè)計人員、最終成本的問題。所以，設(shè)計的真正挑戰(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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