精选
- 本文节选自2023年出版的《芯片简史》（by 汪波）
20 世纪 70 年代，一个叫菲尔·摩比（Phil Moorby）的学生到曼彻斯特大学求学。
曼彻斯特大学有着自己研发计算机的传统。1948 年，艾伦·图灵来到这里，发展了最早的存储程序计算机，他曾想象有一种与人类大脑媲美的计算机。
不过，即使在摩比求学的 70 年代，图灵的那个梦想看起来依然十分遥远，因为当时芯片上最多只有几万个晶体管，CPU 的算力不够强、内存不够大。
增加 CPU 算力的途径就是继续扩大芯片规模，但这受制于芯片设计。工程师设计芯片的方法跟建筑设计师类似，他们要先在电脑上绘制原理图和版图，然后将晶体管互连起来组成电路，最后把不同的电路模块拼成芯片。
但随着芯片规模的扩大，图形规模已远远地超出了设计师和计算机能掌控的极限，这种方法走到了尽头。让我们举个例子，早期人类在拉斯科岩洞里的石壁上描绘了野牛、鹿和熊等野生动物，虽然很壮观，但能画出的内容还是很有限。
拉斯科岩洞的石壁画
直到后来出现了文字，人们才从纷繁的绘画中解脱出来。一旦有了文字，我们就能描写出图画中所没有的东西。
正如《小窗幽记》卷六“景”中所说的：“绘花者，不能绘其香；绘风者，不能绘其声；绘人者，不能绘其情。”文字之所以比图形更强大，是因为文字能描述更精微的含义，传递更深刻的思想。
将图形转化为文字的方法是抽象，正如《说文解字》中所说的：“黄帝之史仓颉，见鸟兽蹄爪之迹，知今之可相别异也，构造书契。”从图画中忽略细枝末节，抽象出骨架结构，就得到了象形文字。如此一层一层地抽象演变下去，就得到了现代文字。
象形文字的抽象演化（上图）与电路图的抽象演化（下图）
同样，如果人们能将电路图抽象并去掉细节、抓出特征，构造出一种描述硬件电路功能的文字，就可以构建出一个包含海量电路元件的复杂世界。
从版图开始，逐层抽象，我们就得到了原理图、逻辑模块，最后就是代码语言。越往后，细节丢失得越多，但也变得越简约，越容易描述大规模电路。
例如，一个由 4 个晶体管组成的“与非门”电路的版图，需要包含栅长、线宽等细节。经过第一层抽象后，就只剩下了呈现内部晶体管连接关系的原理图。再经过进一步抽象，就只剩下了只包含外部接口的逻辑模块，接着就能抽象成为逻辑语言符号。最后，我们的抽象之旅就抵达了终点：硬件描述语言（简称HDL）的一行代码。
有了硬件描述语言，人们才能设计出更复杂的芯片，突破设计者在电路图上能画出来的最大极限，从而推动芯片规模按照摩尔定律继续扩大。
世界上约有 6 500 种人类语言，然而芯片设计使用的硬件描述语言用一只手就数得过来，其中使用最广泛的是 Verilog。而发明 Verilog 的就是菲尔·摩比。
菲尔·摩比
在攻读硕士学位期间，摩比选择了一个既包含硬件，也包含软件的研究项目，这让摩比同时熟悉了编程和硬件。之后，他加入了一家开发逻辑仿真系统的初创公司，放弃了博士论文写作。
1983 年，摩比到美国参加学术会议，遇到了王安公司的普拉布·戈埃尔（Prabhu Goel），戈埃尔正在创办一家新公司捷威（Gateway）。在这年圣诞节期间，摩比来到了美国，加入了捷威公司。
戈埃尔成立捷威公司的最初目的是实现“逻辑综合”。所谓综合，是指一种自动设计电路的方法。打个比喻，这就像是某种写作软件，接收到一些关键词和要求，它就能谋篇布局、遣词造句，生成一篇像模像样的文本。
那时逻辑综合的概念还很新，主要局限在学术圈里的讨论。如果要用计算机来自动生成电路，计算机更擅长处理文本而不是画电路图，所以用文字描述的方式来实现电路自动设计更加合适。
这就要求研究人员发明一种能描述逻辑电路的语言，换句话说，发明一种描述“硬件”的“软件”。有了语言，计算机就能发挥其特长—分析处理能力，设计者也不用再拘泥于电路的具体形状，而是将其逐层抽象，删繁就简。
对于摩比来说，他只需要数十名“老兵”足矣—26 个字母、10 个阿拉伯数字符号和一些特殊符号。他要将这些无形的符号深深地嵌入有形的电路中去，就像人类的语言深深地融入大脑而后者浑然不觉一样。
人类的文字虽然浩如烟海，但是它的基本元素只是一小群“老兵”，它们数量不多，却永不退役，只要稍微变换队列，就能让我们从开怀大笑变成泪水涟涟，或者让我们从亲如手足变成反目成仇。
芯片也是如此。所有的逻辑芯片都受制于硬件描述语言。这种语言规定了芯片的每一种行为，构造了它内部的每一个结构。
如何通过语言来表达芯片的功能和结构呢？摩比用一部分语言描述模块的结构（接口类型、连接关系等），而用另一部分语言描述模块的逻辑功能和行为（如果……那么……）。最后，将两者合在一个模块里，这个模块就“活”了，既有“形”，又有“行”。
Verilog 语言
摩比和同事密切合作，没日没夜地工作。1984 年 1 月，新语言成型了。一年后，当仿真器和 Verilog 语言的编译器都开发完成时，捷威公司准备将其推出上市。戈埃尔来找摩比商量这款编译器的名称，摩比把 Verifification（验证）和Logic（逻辑）这两个词拼在一起，组成了“Verilog”。
随后，摩比开发出了对应的逻辑仿真器 Verilog-XL。它竟然比当时最大的逻辑仿真器提供商之一的黛斯公司的产品还快 3 ～ 4 倍。由此，Verilog-XL 变成了芯片仿真的“黄金仿真器”。
就在这时，Verilog 的竞争对手出现了。美国国防部召集了几家半导体大公司开发了另一种硬件描述语言 VHDL。从一开始，VHDL 就是开放使用的，因此立马获得了极大的市场占有率。而 Verilog 只是捷威公司的私有语言，这显然不利于 Verilog 的推广。1991 年，Verilog 开放给业界使用，成了美国电气与电子工程师协会标准中的一种语言。1996 年后，Verilog 扩展了功能，引入了模拟电路部分 Verilog-A 以及混合电路语言 Verilog-AMS。
如今，不论是英特尔公司和超威半导体公司的 CPU，还是移动端的 ARM 芯片，都是研发人员用硬件描述语言写出来，然后使用计算机软件自动地“综合”出逻辑原理图和版图的。对此，20 世纪六七十年代的芯片设计者一定很惊讶，现在的数字芯片竟然是用代码设计出来的！
书名：《芯片简史》
作者：汪波
出版时间：2023年4月
出版社：湛庐文化/浙江教育出版社
ISBN：9787572254758
汪波的小站：https://wangbo66.com/
转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自汪波科学网博客。
链接地址：https://wap.sciencenet.cn/blog-813107-1389894.html?mobile=1
收藏
