CPU通識課

這是本專門介紹計算機CPU科普掃盲書或者小百科全書。CPU也像人類社會一樣存在專業分工，例如，GPU 的出現等。CPU團隊初步細分就有10多種崗位。簡言之，整體上可以說CPU是數學、電子、計算機科學的交叉結晶，其中作者推薦學習CPU原理有3本基本經典書籍的厚度都超過了5cm。 而其中電路設計比軟件編程更難。“其中EDA有兩大主要功能：一個是設計，另一個是驗證。 ● EDA是對電路進行自動佈局、佈線的設計軟件。EDA還包含一個重要功能，就是提供CPU設計代碼的驗證平臺。EDA是芯片之母，是芯片產業設計最上游、最高端的行業軟件，可以稱爲芯片產業“皇冠上的明珠””。 寫軟件一樣設計CPU 是 Verilog語言，它對電路設計工程師的意義，就像C語言對軟件工程師的意義，… “製作半導體芯片需要的設備有十餘種，常用的有硅單晶爐、氣相外延爐、氧化爐、磁控濺射臺、化學機械拋光機、光刻機、離子注入機、引線鍵合機、晶圓劃片機、晶圓減薄機等看”。 “光刻機是半導體芯片製造設備中最複雜、技術難度最高的設備，有“工業皇冠上的明珠”之稱”。 顯然，上面就看到二顆明珠了，因此，該領域學問之深自然不言而喻。好在本書它文字簡介，邏輯清楚，條理化，可讀性高，也值得外行一刷。儘管合書後不知道真還能記住多少內容，但是，簡言之，只要認真耐心刷一遍此“硬核”書後，其感覺就會像：能偷着樂，能輕輕哼一聲：爺也到此一遊了，哈哈😄😄🙏。 好書！ 當然，估計現在人工智能及量子計算機出現後，又會掀起CPU 領域的新浪潮，還會有許多層出不窮開腦洞 NPU 或者 GPU 的新篇章，期待作者續其大作！

《CPU通識課》說起CPU，總是讓人望而生畏，這是一個很複雜、精密的東西，根本不會想去多瞭解。 我在大學的時候就很喜歡電子的東西，甚至初中就自己學過C語言，很高興的給我爸展示我的學習成果，但是當我成功在屏幕上輸出“Hello，world”的時候，只是換來我爸的一句：瞎搗鼓，有嘛用，並伴隨一個無語的微笑。是啊，這個能提高成績？這個能賺錢？ 在自己學習的過程中，也遇到過很多問題： 我知道用編程語言寫軟件，可是軟件到底是怎麼運行的呢？操作系統負責什麼？編譯器做了什麼工作？是誰屏蔽了不同硬件之間的差異？我知道硬件只用0、1對應高、低電平，可是高低電平是如何進行運算的？加減乘除，各種操作怎麼實現的？硬件和軟件是如何協作起來的？屏幕上顯示的一個字符到底經歷了什麼？～～～～～～～總之，就是對計算機的整體運行很感興趣，但是又很不得法，不知道這些問題去哪裏找答案。 但是，看完這本書： 計算機的原理大部分都是圍繞CPU，所以，對CPU有一個整體的掌握就能很大程度上對計算機原理有一個概覽。雖不知細節，但是知道整體相貌。CPU的研究生產有一個整體認識。從歷史發展的角度，對各廠商有了一個瞭解。當前格局，發展自己的芯片很難，建立生態更難。但是，這是必經之路。在如此利益的今天，還能有一批人，甘坐冷板凳，繼續研發，這是智慧、膽識氣魄。從書中語言可以看出，我們自己的芯片發展很“務實”，腳踏實地。總之，這本書不能說不需要基礎，但是有限，況且具體技術沒必要深究。但是卻對構建整體架構很有意義，建議去讀。

佩服作者的閱歷及眼光。對cpu沒有這麼深刻的認識和理解，是不會這麼通俗易懂，深入淺出介紹cpu的。 全書介紹了cpu從技術，設計，生產，到生態的方方面面。從cpu概括，講述了cpu的演進變化，與架構的形成，經過誕生到現在的迭代，cpu已經在性能上有了飛躍。接着，講述了cpu專有術語，主要是指令集和微架構。然後，講到cpu原理，這一塊到講述了很多cpu的乾貨，如果相對cpu有深入的認識與理解需要閱讀一下。cpu系統包含了操作系統和應用軟件。cpu生產製造講述了從芯片設計，到單晶硅生產，再到芯片生產的各個環節。作者由講述了當今cpu家族主流的cpu以及他們所服務的領域。接着又引入了cpu生態思考，一流企業做標準，二流企業做品牌，三流企業做產品。最後回顧與展望了中國cpu發展，經歷的技術-市場-技術的路線。 值得閱讀的一本書，從cpu相關的技術，生產製造，到產業生態都有呈現。其中也包含了作者的一些思考。在當前被西方限制芯片發展的大環境下，其實芯片設計、製造是一部分，更多的是怎麼建立好整合生態，這纔是與衆多cpu廠商同臺競技，經得起市場考驗，長足發展的保障。

本着瞭解“龍芯中科”來讀這本書，但由於本書的內容於我自己的生活知識過於遙遠，試圖閱讀兩次都沒辦法堅持讀完，直到第三次才發現這是一本難得的科普教育書，爲了加強印象，自己還把其中劃線部分作了摘錄分享。最大的三個收穫是： 1、現代競爭已經從資本家之間的競爭到了國家層面的競爭，也就是國家資本的競爭。書中提到20世紀80、90年代，國產CPU之所以失敗就是沒有列入國家層面的戰略性規劃和支持。 2、以芯片爲基礎的信息產業，代表着人類商業競爭的最高級別的競爭——生態、體系化競爭，任何認識不到這一的都將被淘汰。 3、由1、2點的基礎決定，未來企業要想勝出，必將是基於“資本、人才、體制、時間”的四維競爭，少一維都意味着被淘汰。 另外，龍芯中科，要想勝出，難度非常大，就算是有可能，時間成本也是很持久的。

一本把 CPU 講得通透的通識書，沒有堆砌晦澀術語，而是從底層架構、流水線技術到指令集演進，一步步拆解芯片的 “大腦” 是如何工作的。對於想搞懂硬件底層邏輯的科技愛好者，這本書既友好也有深度。 唯一覺得過猶不及的是對龍芯的推崇到了讓人有點尷尬的程度，全文都是在給龍芯做廣告，雖然理解作者的情懷，但是作爲科普書，還是要客觀一點。

花了12h左右讀完本書，筆記和感想都不少。 本書2022年1月出版，結合《計算機體系結構基礎》、《看懂芯片原來這麼簡單》閱讀，才發現都是龍芯系列的CPU、計算機原理相關書籍。2018年5月後，芯片/集成電路、操作系統、編譯器從業者或將迎來如同過去10年間軟件、互聯網的大好時代，且我認爲將遠不止黃金10年，畢竟目前企業還處於萌芽期。 優點： 1. 集成電路產業中如何從沙子到半導體材料、從電路邏輯設計到芯片交付的流程介紹（設計、驗證、封裝、測試、流片等） 2. 模擬元器件（二極管、場效應管FET、三極管、電阻、電容、電感）、數字元器件（CMOS反相器、二極管等）簡單介紹 3. 高性能CPU架構原理，如動態流水線經典算法Tomasulo、亂序執行、轉移猜測等 4. 話語權：Intel（x86）、AMD在整機芯片上的壟斷地位，蘋果在手機行業上利潤率的鶴立雞羣 5. 高屋建瓴地提到系統工程，所以需要軟硬件知識、經驗兼具 可以看到CPU、計算機原理、操作系統等過去被忽視的冰川下的知識正被重新發掘和重視起來，真可謂風水輪流轉。 讀完本書後，再讀電路分析、模擬電路、數字電路、Verilog HDL、計算機組成原理、計算機體系結構、操作系統、計算機網絡（協議規範）、C/C++、Linux、數據結構及算法，以及進行項目設計時，內心會更多一份腳踏實地的平和

1）把性能差異講得清 不再停留在“頻率高就快”，而能解釋： • 爲什麼緩存能決定體感 • 爲什麼分支預測影響巨大 • 爲什麼亂序執行能榨乾指令級並行 • 爲什麼內存牆讓算力“等數據” 2）理解“做CPU難在哪” 難不止在設計，更難在： • 驗證（證明“幾乎所有情況都正確”） • 生態（編譯器、操作系統、應用適配） • 工藝與良率（設計再好，造不出來=0） 3）建立一套看芯片項目的“判斷框架” 你能更快判斷一個CPU項目： • 是做IP還是做整芯片？ • 依賴生態還是自建生態？ • 性能瓶頸在架構、工藝還是軟件？ • 商業化路徑是服務器/PC/手機/車規/工業？ 核心概念地圖（通識版） • ISA（指令集）：CPU“會聽懂什麼語言”（x86/ARM/RISC-V） • 微架構：同一種語言，不同人“怎麼幹活”（流水線深度、亂序、分支預測、緩存層級） • 內存層次：寄存器→L1/L2/L3→內存→存儲，越往下越慢 • 性能公式：性能≈頻率×每週期指令數（IPC）×並行度，但會被內存與分支拖累 • 功耗牆：越快越熱，性能/功耗/面積永遠在三角里取捨 1️⃣ “CPU的速度，很多時候不是‘算’出來的，是‘等’出來的。” 大量時間花在等數據從更慢的層級回來（內存牆），所以緩存與預取很關鍵。 2️⃣ “頻率只是油門，IPC纔是發動機效率。” 同樣3GHz，不同微架構每拍能做的事差很多；IPC由流水線、亂序、預測、緩存共同決定。 3️⃣ “緩存不是配角，是決定體驗的主角。” 命中緩存=飛； miss進內存=卡。很多應用的瓶頸根本不在算術單元。 4️⃣ “流水線讓CPU像工廠：分工越細越快，但返工越痛。” 流水線深可以提高頻率，但一旦分支預測錯了，清空流水線代價更大。 5️⃣ “分支預測的意義，是把未來‘賭對’。” 程序裏大量if/跳轉；預測錯一次可能浪費十幾到幾十個週期。 6️⃣ “亂序執行不是炫技，是把空閒時間撿回來。” 當某條指令在等數據時，CPU先做別的能做的事，提升利用率。 7️⃣ “CPU設計永遠是三角形：性能、功耗、面積，三者不可兼得。” 加緩存/加核心/加預測器都能提性能，但都會帶來功耗和芯片面積成本。 8️⃣ “更難的不是‘畫出來’，而是‘證明它不會錯’。” 驗證是CPU工程裏最喫人力/時間的一環，Bug可能只在極小概率場景觸發。 9️⃣ “指令集決定上限，生態決定生死。” 沒有編譯器、OS、工具鏈、應用適配，再好的芯片也難落地；生態是護城河。 🔟 “工藝不是背景板，是架構選擇的邊界條件。” 不同製程下可承受的頻率、功耗密度、良率不同，反過來約束架構。 1️⃣1️⃣ “CPU不是一顆芯片，是一套系統工程。” 微架構+驗證+EDA+封裝+軟件棧+供應鏈，任何一環拉胯都會拖死產品。 1️⃣2️⃣ 看懂CPU，本質是看懂‘計算與數據移動’的戰爭。” 現代性能競爭不止是算力，更是數據如何更快、更省電地到達算力單元。

後面幾章，看得我如坐鍼氈、如芒刺背、如鯁在喉（有一節開頭居然是《龍芯飛揚》的歌詞，全書的結尾是《龍芯誓詞》，什麼成分，想必大家清楚了吧）。。礙於沉沒成本和輕微的強迫症，還是看完了。如果把關於龍芯的水內容（尬吹、無邏輯吹的內容）刪除，剩下的真·CPU通識還是蠻不錯的，看完也算有點小小收穫（都在筆記裏，懶得總結了）。

相當於是回憶了一下大學一半的課程，很不錯。雖然我不是學計算機專業的，但也有一些接近，尤其是《微機原理》這門課是我大三立志轉型好好學習的代表課程，跨學院的專業必修，印象極其深刻。感謝這門課的老師，講的非常細緻透徹，我現在還能記得他是一個長相粗糙的大哥，但記不住名字了。也感謝那個時候的自己，反應超快，記憶力超強，也終於醒悟過來不能把大學荒廢了，能夠沉下心來好好學習了。

只看了試讀，亂七八糟，不知所謂。作者根本不知道通識課是什麼，教材應該怎麼寫，素材應該怎麼組織，邏輯順序是什麼。