第六章 状态机和多时钟的比较

    第六章困难

    既然决定使用哈佛体系的数据存储结构，所以片内的数据总线和指令总线也必须分开，以便于实现较高的指令流水线，目前用处不大，但是后续的产品在这个框架上将会越来越显出优势。

    片内也分数据总线、指令总线和控制总线。片内的数据总线主要用于内部各个模块之间的数据流的通道，这个总线有一定的难度，因为这涉及到时序，数据总线上出现的数据必须严格遵守时序要求，否则就会出现总线冲突问题，这就和马路上的红绿灯控制交通一个道理。而指令总线很显然是指令寄存器和程序存储器之间通信的连接，控制总线将由处理器的控制模块通过对指令译码产生对各个模块cao作的控制信号组成，这些信号间也必须具有严格的时序关系。

    张亿诚通过前世的知识理清了他们的关系后做出了大致的总线的设计图，为什么说是大致，因为至关重要的时序结构设计还没完成。

    时序结构用于描述处理器内部各模块及各相关要素之间的时间关系，也就是各个要素执行的顺序，处理器的时序设计还要包括控制模块中控制状态机的设计和处理器各个模块的时钟设计，其中控制模块时序的实现主要有两种方式：状态机实现方式和多时钟实现方式。

    状态机实现方式是通过状态空间来定义指令的执行步骤，用状态机输出的控制信号协调处理器内部功能电路来实现特定的数据流功能，而多时钟设计方式有利于时序电路的设计，比较容易实现各个要素之间的时序顺序，多时钟设计在工作效率和可扩展性上不如状态机，但是他有一条好处，那就是比状态机的设计简单的多。多时钟使用固定的状态空间及状态转移，以冗余的状态空间为代价，获取简单的状态计算过程，所以不需要像状态机结构，增加额外的硬件资源来视线复杂的状态转移计算。思来想去，最后张亿诚还是决定使用多时钟时序结构。状态机将作为以后的新技术配在高端芯片上。

    在进行多时钟的设计中使张亿诚又想到了门控电路，这可是节能降耗的好技术啊，使用门电路设计的门控时钟用使能信号打开或者关闭时钟信号，这个使能信号控制着的门电路，当时钟关闭时，相应的时钟域被关闭，功能也暂停。门控时钟是减小功耗的强大技术，因为处理器在对外的数据交流中并不是一直在cao作。

    当张亿诚把门电路图也绘制出来后，看了看手表已经凌晨2点左右，看样一晚上自己完成不了这个工作，还是过高的估计了自己，后面将还会有复杂的算法级设计等还没完成，张亿诚决定放下手头的未完成的工作去休息，把已经完成的图纸折叠整齐按次序的放入保险箱，这里面出现了很多这个时代还没有的设计思想如果泄漏出去他虽然可以获得巨大的名声，但是也将对他要开展的工作造成不必要的损害，在一些关键设计结构上没有取得专利时，他不打算发表任何论文。蓝色巨人的身影无处不在，他们拥有强大的社会关系且还拥有上万名工程师，只要张亿诚的设计思想泄漏那么一点点，张亿诚相信很快将会出现基于此思想上的更多改进型的更先进的机器出现，这也是为什么他会怂恿他最亲爱的同学埃里克去“装配自己的计算机”的原因，他还没有实力承受IBM、DEC等这些公司的怒火。

    躺在床上张亿诚虽然感觉已经很疲倦了，但是大脑依然处于兴奋状态，他又仔细的盘算了下以后的发展方式，如何才能在夹缝中发展壮大。世界上无论这个世界还是前世都是一流的公司做标准，二流的公司做技术，三流公司只能出卖自己的资源和劳动力了。而现在张亿诚就站在暗处准备同这些巨无霸公司做标准的主导权争夺，。

    一夜无话，第二天天不亮张亿诚就起了床，前世的习惯，到外面跑了一圈回到自己的小院子里又打了一遍太极，感觉精神好了很多。匆匆的把昨天剩下的烤土豆和烤猪排加热吃了下，又一头扎进客厅投入未完成的工作中，剩下的已经不多，主要是算法的设计，和完成后的复查，尽最大可能减少出错的机会。工作到中午的时候设计基本已经完成，这个时候还要经过一系列严谨、科学的验证、测试、优化才能保证设计的产品具有商业价值。目前这种状态张亿诚还没有这些条件，他只能以自己的经验和知识来判断，他还没有工厂来帮他生产流片来验证这些理论上的性能数据。

    通过设计这将是一款真正的16位微处理器，用单一5V电源，时钟频率理论上将达到6MHZ~12MHZ采用3级的流水线哈佛体系结构，增加的流水线设计提高了时钟频率和并行能力，每一个指令的处理分配为了3个时钟周期内，在每个时钟周期内同时有3个指令在执行，为了通用性采取了主，辅双指令集设计模式。同时包含浮点指令部分和整数部分，拥有16个16位寄存器初步达到了张亿诚的设计目标。

    那么下面将是制造样片验证的过程，据张亿诚的估计要想制作出这样的一个粗糙的芯片晶体管估计要达到3－5万根左右。那么下一步将是制造，制造又分代工厂（OEM）模式和自设工厂，代工厂生产的话是最简便的，但是对于后续的工艺水平的研发将不利，自设工厂对于技术的保密形成技术优势是不二选择，但是生产设备和工人前期的工作培训会是一大比开支。张亿诚仔细的思考了一遍，还是决定自设工厂生产，将来条件若合适会立即转移到国内生产，这样可以带动周边的一大批周边产业的技术进步，这也正是自己来到这个世界的初衷。

    由于以前张亿诚刚进研究所的时候，跟前辈们学过一段时间的半导体的研究所以对处理器的制作初级过程还是比较了解，自己现在要造的也不是什么高级货，难度应该不是很大。

    多数人应该都知道现在的处理器大都是使用硅材料制成的。硅是一种非金属元素，从化学的角度来看，由于他处于元素周期表中金属元素区和非金属元素区的交界区，所以具有半导体的性质，适合制造各种微小的晶体管，是目前最适合制造大规模集成电路的材料，一般来说硅是从沙子里提取出来的。当然，处理器的制作过程中还要使用一些其他的材料，这也是为何前世的时候人们不会看到英特尔和AMD公司把成吨的沙子拉往他们的制造工厂。能制成处理器级别的硅对纯度要求非常高，正因为此对材料提纯工艺的复杂，人们是无法将一顿沙子与一百克的高纯硅的价值相提并论，半导体巨头就是具有把沙子变成黄金的手段的公司。

    在张亿诚的印象中，处理器的制造过程可以大致分为这么几大步骤：沙子原料提存、形成硅锭、晶圆、光刻（平板印刷）、蚀刻、离子注入、金属沉淀、金属层、互联、晶圆测试与切割、核心封装、等级测试和包装上市等步骤，而且每一步骤里又包含很多的细致的过程。

    前两步甚至前三步张亿诚都不打算自己做，与后面几步相比没太大技术含量，固定投资又需要很多钱，最主要是电消耗大户，在自己的芯片业务没上规模前投入资金进去不可能盈利，等到把成本收回来不知道猴年马月的事。

    那么下面的这些步骤，张亿诚大致知道有这么回事，要真的具体去cao作做，自己还真不一定搞的定，这就需要这方面的人才，人才那里来？一、登报招聘，二、同学学校导师的推荐。如果登报招聘以自己目前能给的出的价钱和自己的知名度很难吸引到真正的高级人才，自己可没所谓的王八之气，虎躯一震各需要的人才纷纷纳头就拜，争着抢着给自己干活还不要钱，说到底这是个分工协作的金钱社会。那么只有通过导师的推荐这一条路，由于美国大学的学风，使得各大学的交流很频繁，所以在某些领域有潜力或者特殊才能的人经常的会到各个大学做讲演或者学术方面的合作，因此各教授间有一定的牵扯，而这个时候的美国学术界和商界交流也比较的频繁，很多知名学者有自己的研究成果时候要么出售专利要么下海创业，没有前世的中国那种政府官僚主义，而这就是张亿诚的契机，他为什么不想因为罚款的事情而和学校大吵大闹甚至对簿公堂，也是因为在自己没发展起来前通过学校能招到自己需要的人才。

    要找到合适的人才，目前最适合的只有IBM、DEC、英特尔、AMD、摩托罗拉、德州仪器等这几家著名的半导体公司，以自己目前这种学术上没有作为，资金又没有优势的人直接去挖人等于天方夜谭。