详细阐述：一个技术员眼里的芯片设计

IP核分软核和硬核，现在貌似也有软硬结合的核…它是什么东西呢?比如ARM指令授权，它就是软核，它只规定了CPU的指令集，好比建桥，它只告诉你桥应该建多长、多宽、大概长什么样，但是具体细节没有，不告诉你电路在芯片上怎么摆放，怎么连线。软核的好处是给了很大的发挥空间，模仿、抄袭也简单，以后做类似东西可以参考。硬核就是它只告诉你电路在芯片上具体长什么样子，把它摆上去用就行了。硬核的好处是它一般都是经过其它芯片验证的，很容易了解它的具体性能。但你几乎不可能修改它，也很难了解它的实现细节，毕竟有几千万个mos管，人怎么分析。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201610/311472.htm

中国的IC设计公司，自主IP核不多，因此很多都是从类似ARM和Ceva这类公司购买，但客观地说，现在芯片设计分工越来越细，每个公司只是完成其中一小部分，就算是高通，也用了很多其他公司的IP核。

一个公司想把所有活都干了，那绝对是不可能的，就算做到了，它的芯片也不会有竞争力。其实玩搭积木也是很有技术含量的，海思肯定是国内玩得最好的公司。目前公司的一个目标也是把越来越多的模块自主化，但是需要时间。

先从最底层芯片说起，开头说了mos管，现在说说与非门。上面说了mos管是芯片的最小单位，但这是对于芯片制造厂而言的。芯片设计时不会直接画mos管，在数字电路中，使用的最小单位是门电路，与非门就是用得最广泛的一种。一个与非门大概要4个mos管组成，与非门大家应该都非常熟悉。如下图：

大家都知道，家里的开关有两种状态嘛，打开和关闭。当上图中的开关1和开关2两个开关中只有1个开关打开时，经过与非门处理，开关3就打开了。如果开关1和开关2两个开关都关闭或者两个开关都打开，经过与非门处理，开关3就关闭了。其实和与非门类似的东西生活中随处可见。比如说有的人家里有一个灯，这个灯在家门口设了一个开关，方便进出家门时开关灯。在床边也设了个开关，方便晚上睡觉时关灯。这个其实就是一个与非门，两个开关控制同一个灯。一个开关打开，灯就亮了，两个开关同时打开或者关闭，灯就灭了。

这样的话，用一个与非门和一个与门就模拟了最简单的一个加法器，最大只能计算1+1。计算机中有几亿个这样的门电路，它们组合起来就能做非常复杂的运算。现在的大部分CPU都是64位的，这种CPU肯定会有64位加法器甚至128位加法器。拿64位加法器来说，它最大可以计算出18446744073709551616 + 18446744073709551616。

说到这里，不得不说说芯片频率。

先说说1G频率是什么概念，让大家有个至关的认识，这个数字就是说每秒钟10亿(1,000,000,000)次。为什么会有这个东西呢?刚才我说了与非门，开关3是随着开关1和开关2的变化而变化的，对人类来说，开关3的变化速度很快，是瞬间的，但这个变化总是需要一点时间的。开关3可能是另外一个门电路的输入开关，如果变化到一半，它的下一个门电路就接受开关3的输入，可能会产生很严重的问题。

一般来说，一层门电路需要等它的上一层门电路完全变化完毕，输出稳定之后，它才接收上一层的输入，开始变化。这个时候就需要有一个指挥家来指挥这些门电路什么时候开始变化，这个指挥家就是芯片频率，指挥家会定时发出脉冲，1G就是每秒1一次脉冲。门电路等脉冲到来的时候就开始做这个变化。

从上面可以看出，指挥家指挥得越快，芯片运算速度越快。但要说明一点，两倍的频率并不代表两倍的性能。因为CPU和内存、外设频率不同步，它们之间的频率相差越多，CPU空转的次数越多。另外再说一点，门电路变化的过程其实就是mos充电放电的过程，mos管充电放电越快，芯片的频率可以做到越高，而二级效应会减慢mos充电放电的速度。如果mos管想要充电放电快一点，要提高mos管电压，这样就提高了芯片的功耗。

而关于芯片设计过程，大家对IP核、指令集和架构这些东西都比较感兴趣。

先说说ARM的IP核吧，ARM授权包括指令集和CPU核心架构。据我了解，除了高通外，其它芯片厂商都使用了ARM的CPU核心架构，也就是经常可以听到的A9 A15。高通比较高端，CPU核心架构自己搞，如果搞得比A9 A15好的话确实可以提高CPU性能，但由于ARM收取高昂的核心架构修改费用，所以要付更多的钱给ARM。指令集是CPU与上层的编译器、操作系统和应用程序的接口，使用ARM指令集意味着你做的CPU可以兼容安卓系统、安装应用、C编译器。

如果哪个公司自己整一套全新的指令集，那它做出来的CPU一点用处没有，既没有操作系统也没用应用。此前联想出了个K800，用的是英特尔Atom CPU，这款CPU非常特别，使用X86指令集，结果是一出悲剧，很多游戏兼容不了。不过英特尔还得感谢谷歌，否则这个CPU连安卓都兼容不了。目前来看，CPU不用ARM指令集很难玩转，而且随着越来越多应用只支持ARM，ARM的地位会越来越巩固，就像电脑CPU，如果不用X86指令集，连Windows都很难安装,这是一个垄断的帝国。

下面说说CPU核心架构，说之前不得不先谈谈PDK。PDK是ProcessDesign Kit 工艺设计包，它和晶圆厂的制作工艺紧密相关。PDK是什么呢，它描述了一个具体工艺基本元器件的电器特性。比如台积电28nm工艺和40nm工艺做出来的mos管电器特性肯定不一样。28nm工艺和40nm工艺做出来的mos管额定电流范围、电压范围肯定不同，在相同外界输入下，输出曲线也肯定不一样。芯片公司如果没有PDK，根本不知道设计出来的电路性能如何，也没办法跑仿真。简单一点说，你拿40nm PDK设计电路，用28nm工艺生产，生产出来的芯片绝对一点用处没有。所以说芯片设计非常苦逼，搞编程的，代码可以重用，搞芯片设计的，如果换了生产工艺，很多东西得要从头再来。

ARM给IC设计厂商的CPU核心架构只是FPGA代码，它不是工艺相关的，数字前端设计的工作会少不少，但后端设计有大量的工作要做。但ARM提供的仅仅是一个计算核心，外围一个都没有。外围包括一些什么呢?比如USB IP核，没有这个，手机就没有USB功能;比如GPU，这个不用我多说吧;比如音频IP核，杜比音效就是这么来的;比如视频解码IP核，没有这个，看视频只能软解;还有CPU功耗控制IP核等等。

对于很多IC设计公司来说，这些外围的IP核很多都是外购的。因此看CPU真心不能只看频率，外围IP有好有坏，有些比较高端的IP核授权费用非常高。即使买了很多IP核，但芯片也绝不是闭着眼睛就能整出来的。

顺便说一下，高通芯片外围的IP核很多也是外购的。

所以说芯片设计并不是简单的事情，很多人认为国内的IC设计公司毫无技术含量这种说法是无稽之谈。

关键词： 芯片 IC设计