芯片设计发展史四ARM处理器的IP授

进入21世纪第一个十年，越来越多的手机厂商，甚至软件和互联网公司也纷纷开始自己设计研发芯片，这当然离不开EDA工具的支持。

但如果他们没有电路IP，自研芯片这事多半也成不了。

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我们可以将电路IP理解为文档的模板。早在20世纪80年代，VLSI技术公司的EDA部门创建了许多标准单元库。但每次从头设计电路非常耗费人力，于是设计公司开始将一些标准化的接口电路、通信电路等打包变成了一个个标准模块，这样就可以反复使用，或者将其卖给需要的公司，这时标准电路IP出现了。这种数字形式的IP可以是版图或电路网表，用户拿到后可直接使用或在稍微修改一下后使用。

随着芯片功能进一步扩大，片上系统（简称SoC）出现了，它可以将各种功能（信号放大、模数转换、数字处理等）集成在一起。芯片设计公司将主要精力放在了差异化功能的开发上，因其可以从别处购买并直接使用标准化功能的IP模块。

现在世界上最大的集成电路IP公司是安谋（简称ARM），它将ARM处理器内核做成标准模块，授权给其他公司。全世界几十亿部手机、平板电脑上安装的都是ARM处理器。

从年起，ARM处理器渗透到了一直由英特尔公司CPU占据的个人计算机甚至服务器领域。

创造这种独特的处理器的不是来自美国的大公司，而是来自英国的一个小团队。安谋公司创立之初只有12位工程师，办公地点在剑桥大学附近的一座谷仓里。

要讲述安谋公司的故事，我们要先回到20世纪80年代初的英国。

那时，英国广播公司提出要订购一款为全英学校设计的Micro电脑，数量达几十万台。所有的英国电脑制造商都对这个合同虎视眈眈，当然也包括安谋公司的前身艾康电脑公司(Acorn)和英国最大的电脑制造商辛克莱公司(Sinclair)。

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年2月的一天，它们同时得到了英国广播公司公开招标的消息。艾康公司总裁克里斯·柯里(ChrisCurry)立刻赶到了英国广播公司总部，夸口说自己的公司能很快给出符合英国广播公司要求的样机。英国广播公司说他们要在4天内就看到样机。柯里拍着胸脯答应了，但那一天已经是周日，这意味着在下周五上午之前就要准备好样机。

柯里这个牛皮吹得太大了，此前公司的两位技术人员罗杰·威尔逊(RogerWilson)和史蒂夫·弗伯(SteveFurber)已经讨论过英国广播公司提出的关于Micro电脑的苛刻指标，还没有理出头绪。而要在短短4天时间里做出实物，简直是白日做梦！晚上，柯里去见了他的合作伙伴赫尔曼·豪泽(HermannHauser)，商量怎么才能说服威尔逊和弗伯。

豪泽拿起电话机，拨通了威尔逊的电话号码，电话线另一头传来了非常果断的声音：“这不可能！”

罗杰·威尔逊出生在英国的一个小村庄，后来改名为苏菲·威尔逊。少年时的威尔逊常常同自己的兄妹围在桌前跟父母一起亲手打造一件家具，或者组装一件电器。在这个家庭里，从无到有、用双手一点一点地打造出各种物品是理所当然的事。之后，威尔逊到剑桥大学读书，认识了史蒂夫·弗伯，他们毕业后又一起加入了艾康公司。

罗杰（苏菲）·威尔逊(a)和史蒂夫·弗伯(b)

豪泽又拨通史蒂夫·弗伯的号码，得到了同样的回答：不可能！豪泽故作惊讶地说：“是吗？你这么说真让我意外，因为威尔逊刚刚说还是有可能做出来的……是的，他的语气听起来很笃定。要不我跟他说你不同意？哦，好的，先不告诉他，明天见！”

豪泽再次拨通了威尔逊的“嗨，又是我。是这样，刚刚弗伯说他觉得可以做到，他的语气听起来非常自信……不，我刚才没有把你觉得不可能这事告诉他。你要我打电话告诉弗伯说你觉得这不可能吗？哦，好的，明天见！”

周一一早，威尔逊和弗伯立刻开始了工作，他们要打造一台有颗芯片的电脑，仅绘制电路原理图就花费了两天时间。此外，他们需要一颗DRAM芯片，而唯一满足这一要求的是一款日立芯片，整个英国仅有4颗，开发团队立刻将这4颗芯片买了下来。接下来，他们又挖到了最快的“绕线手”，把颗芯片装到电路板上，周三开始绕线，周四晚上完成。

但在最后一个夜晚，他们发现组装好的电路无法工作，直到周五凌晨两点仍然没有调试成功。所有的逻辑都是对的，系统没有理由不工作。再过8个小时，英国广播公司就要来验收了。豪泽命令成员拔掉连在处理器上的仿真器，让处理器独自运行。所有人都觉得他疯掉了，然而结果证明豪泽是对的，系统居然“活”了过来！

一大早，威尔逊回到公司，看到团队成员在地板上凑合着过了一夜。在剩下的两个小时里，他需要安装操作系统，启动编程语言并安装一个解释程序。约定好的10点快到了，威尔逊仍在飞快地敲击着键盘，英国广播公司的汽车按时到达了公司楼下。柯里和豪泽下楼迎接，他们绅士般地同英国广播公司人员在走廊和楼梯之间边走边谈，尽量拖延他们进入实验室的时间点。

就在一行人终于进入实验室，来到威尔逊的电脑样机前的那一刻，一切都准备好了！艾康公司击败所有对手并赢得了英国广播公司Micro电脑的合同！之后，这款电脑大受欢迎，在英国卖出了惊人的万台。

怒火中烧的辛克莱公司老板决定强力反击，开发性能更好的电脑。为了迎接挑战，艾康公司要打造下一代更快的电脑。当时的主流电脑——IBM个人电脑上用的CPU是16位的处理器，但其无法同时满足速度快和价格便宜这两个要求。

弗伯和威尔逊决定自己设计一款芯片。他们发现加州大学伯克利分校发表的一篇文章提到了一种精简结构的RISC架构，它能简化系统复杂度，同时保持高效率。弗伯和威尔逊相信自己能做出一款这样的处理器。他们想越过英特尔16位的处理器，直接开发32位的RISC处理器。

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随着项目推进，威尔逊和弗伯发现RISC的优势充分地发挥了出来，运行速度比原来英国广播公司Micro电脑上的处理器还快得多。经过18个月的努力，这颗32位处理器设计完成，其只包含了多个晶体管，比英特尔公司16位的处理器含有的个晶体管还要少。

年4月26日，制造好的芯片回来了。一通电，处理器就能正常工作，操作系统顺利启动！随后就是“砰砰”的香槟开瓶声。

设计这款处理器的一个重要目标是低成本，团队为此不得不选用价格低廉的塑料封装，这意味着芯片的功耗必须降到1瓦以下才能避免散热不畅的问题。没想到，这一限制带来了一个意想不到的好处：芯片功耗极低。弗伯用万用表测试芯片，指针竟然没有任何摆动，他以为芯片坏了，后来才发现原来芯片仅靠着一点漏电流就能工作，功耗不到1/10瓦。

当时弗伯和威尔逊没有意识到低功耗有什么好处，不过后来正是这个特点使得这种芯片大批量地进入移动设备。

就在弗伯和威尔逊等人投入地开发芯片时，艾康公司的经营状况却变得越来越糟。英国广播公司Micro电脑所面对的校园市场很快就饱和了，而公司生产的下一代电脑Electron足足有25万台堆积在库房卖不出去。这时一家“天使”公司出现了。苹果电脑公司使用了艾康公司的处理器后，提议合资创立一家新公司。

年，苹果、艾康和VLSI技术公司共同投资成立了安谋公司。

年，安谋公司聘用了一位CEO罗宾·萨克斯比(RobinSaxby)。当时安谋公司的手上只有万美元和12名工程师，萨克斯比知道仅凭安谋公司自己的实力不足以撼动那些拥有雄厚实力的大公司的地位，因此只能以奇制胜。

萨克斯比注意到，许多面向应用的公司想拥有自己的芯片，但传统的处理器没法根据客户需求来修改。而如果他们从头开始设计一款芯片，又需要大量时间，无法赶上紧迫的产品上市期限。

如何破解这一困局呢？萨克斯比也意识到，芯片的基础架构都是类似的，只有顶层的应用不同。如果安谋公司能授权客户使用芯片的基础架构，客户在此基础上自由修改，其产品就能很快生产、上市，安谋公司也可以获得授权收入，达成共赢。于是，他提出安谋公司不直接出售芯片，而是授权别人使用安谋公司的设计。

年，安谋公司与德州仪器公司合作，开启了这种独特的IP授权模式的应用。

年，安谋处理器进入了诺基亚公司的手机，而后凭着低功耗的优势在手机市场得到大规模应用。至今，安谋公司不用生产一颗芯片，就在人们鼻子底下不知不觉地“占领”了全世界。

截至年，安谋公司已经签发了个授权许可，全世界已生产了亿颗安谋芯片，人均22颗，每秒钟就有颗安谋芯片问世。年，“世界上最快的超级电脑”的桂冠由日本的“富岳”夺得，它的处理器也基于安谋内核。

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年，罗杰·威尔逊做了变性手术变成了苏菲·威尔逊，而没有变的是她的长发，以及父母教给她的从零开始打造一件属于自己的物品的观念。

回顾过去几十年的芯片设计发展趋势，一条明显的路径是，硬件不断地“软件化”，软件持续地“开源化”。从20世纪60年代到80年代，DRAM问世、CPU诞生、SPICE发布、VLSI设计方法提出、Verilog语言发明、安谋芯片问世、FPGA芯片出现，芯片设计方法与高性能芯片交替接力更新，使得芯片设计跟上了摩尔定律预言的发展节奏。

随着人们将设计步骤一点点地从图纸转移到了电脑上，一个“闭环”逐渐形成：手工设计的芯片构成了电脑，电脑设计出更强大的芯片，更强大的芯片则组成了更强大的电脑……最终促进了芯片行业不可或缺的EDA产业的发展。

EDA工具是设计芯片必需的工业软件，涉及前端设计（电路分析、原理图设计、逻辑仿真）和后端版图设计（布局布线、一致性检查、规则检查等）。EDA联结着研究者的器件模型、电路设计者的工具库和制造厂的工艺库，可谓牵一发而动全身，关系到全产业链条。

从事EDA工具设计的人既需要懂微电子，又需要懂算法，而且还要能够将EDA工具与设计、制造和测试等流程匹配，十分稀缺。因此，EDA工具也成为工业软件上一颗难以企及的明珠。

为了利用早期的计算机替代手工完成一些电路分析，研究人员发明了最早的开源计算机辅助设计程序SPICE。—年，加州大学伯克利分校开发出了电路分析仿真程序，彼得森排除异议，将其开源，成为所有商用电路仿真程序的鼻祖。

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接下来进入了VLSI时代，业界将原理图设计和逻辑仿真工作搬到了计算机上进行，瓶颈转移到了版图绘制上。年，施乐公司的康韦提出了λ设计规则，引发了新的设计革命。

为了提高逻辑电路的设计效率，年，捷威公司的摩比发明了Verilog硬件描述语言。

EDA技术众多，企业并购成了获取技术最快捷的方式，很多企业由此将流程的前端和后端打通，使得设计效率提升水平与摩尔定律相匹配。21世纪初，全球绝大部分EDA技术都被“三巨头”把控。

芯片设计除了全流程的EDA，还需要一套设计模板，这就促使相关公司产生了使用标准集成电路IP的需求。年，艾康电脑公司的罗杰·威尔逊和史蒂夫·弗伯开发了第一款ARM处理器。在此基础上，安谋公司开创性地提出将处理器的IP授权给客户，使得ARM处理器成为移动设备上使用最广泛的处理器。

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早期芯片的手工设计流程

手工设计芯片的过程有点像设计房子的水电管路，芯片对应于房子，门电路对应于房间，互连线对应于水电管路。

首先是芯片总体设计，它确定了芯片架构包含哪些功能模块等，就像设计一幅水电布局草图。

其次是具体的电路原理设计，设计者需要将每个模块的功能转换为逻辑表达式，进而用逻辑门搭建起对应的电路，最后将逻辑门转换为更具体的晶体管。这一步对应于水电管路设计过程中要确定的具体事项：从配电箱里引出多少组线，热水器与各房间热水管的连接关系。

芯片设计与制造主要流程(a)和一个模拟运算放大器的手工版图(b)

再次是把电路原理转换为芯片版图，绘制出晶体管和走线的图案。对于水电管路设计来说，则对应于绘制走线图。手工设计者用直尺在标有方格的绘图纸上画出一个个晶体管，以及它们的连线。当这些线路彼此交叉时，设计者要打过孔将其中一条从上层或下层穿过去，就像“造”立交桥。这些线路都要符合关于线间距、粗细的规则，只要有一处出错，芯片就报废了。版图完成后，设计者要将一大张纸铺在桌上，伏案逐条检查线路，确保万无一失。

最后是设计者用美工刀把纸张上粘连的一层薄薄的透明红宝石膜切割下来拿去拍照，按比例缩小几百倍，制成玻璃上的掩膜版。

设计者会将设计好的版图保存为GDS数据格式，存储在磁带里，然后交给制造部门生产，所以流片叫作“tape-out”。制造部门拿到掩膜版后，会完成光刻等工序，最终制成芯片。

EDA流程

EDA的终极目标是把一个想法变成硅片上的图案。在这座多层玛雅金字塔中，“想法”在最顶层，而版图则在最底层，中间隔着功能模块、寄存器传输级（简称RTL）、门电路和晶体管。每从上往下“走”一层，细节都会增加不止10倍，所以细节丰富度从顶层到底层可能增加了10万到百万倍。从最顶层一步抵达最底层的想法固然好，但我们至今仍无法做到，我们只能将中间的寄存器传输级转换为物理版图。

如果我们给出了寄存器传输级的电路，EDA工具能将其分解为对应的门电路、寄存器和连线，然后继续分解为晶体管网表。这就是所谓的前端设计。之后，我们需要引入自动布局布线工具，它们能自动勘察“地形”、决定模块位置（布局）、设置好“分叉路口”（逻辑设计优化）、铺设好“线路”（布线），最后给出“施工图”（版图），这属于后端设计。算法会选择最优线路，使得芯片面积最小、传输时延最短、功耗最低。

注：本文节选自汪波老师的《芯片简史》

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