CPU通识课

这是本专门介绍计算机CPU科普扫盲书或者小百科全书。CPU也像人类社会一样存在专业分工，例如，GPU 的出现等。CPU团队初步细分就有10多种岗位。简言之，整体上可以说CPU是数学、电子、计算机科学的交叉结晶，其中作者推荐学习CPU原理有3本基本经典书籍的厚度都超过了5cm。 而其中电路设计比软件编程更难。“其中EDA有两大主要功能：一个是设计，另一个是验证。 ● EDA是对电路进行自动布局、布线的设计软件。EDA还包含一个重要功能，就是提供CPU设计代码的验证平台。EDA是芯片之母，是芯片产业设计最上游、最高端的行业软件，可以称为芯片产业“皇冠上的明珠””。 写软件一样设计CPU 是 Verilog语言，它对电路设计工程师的意义，就像C语言对软件工程师的意义，… “制作半导体芯片需要的设备有十余种，常用的有硅单晶炉、气相外延炉、氧化炉、磁控溅射台、化学机械抛光机、光刻机、离子注入机、引线键合机、晶圆划片机、晶圆减薄机等看”。 “光刻机是半导体芯片制造设备中最复杂、技术难度最高的设备，有“工业皇冠上的明珠”之称”。 显然，上面就看到二颗明珠了，因此，该领域学问之深自然不言而喻。好在本书它文字简介，逻辑清楚，条理化，可读性高，也值得外行一刷。尽管合书后不知道真还能记住多少内容，但是，简言之，只要认真耐心刷一遍此“硬核”书后，其感觉就会像：能偷着乐，能轻轻哼一声：爷也到此一游了，哈哈😄😄🙏。 好书！ 当然，估计现在人工智能及量子计算机出现后，又会掀起CPU 领域的新浪潮，还会有许多层出不穷开脑洞 NPU 或者 GPU 的新篇章，期待作者续其大作！

《CPU通识课》说起CPU，总是让人望而生畏，这是一个很复杂、精密的东西，根本不会想去多了解。 我在大学的时候就很喜欢电子的东西，甚至初中就自己学过C语言，很高兴的给我爸展示我的学习成果，但是当我成功在屏幕上输出“Hello，world”的时候，只是换来我爸的一句：瞎捣鼓，有嘛用，并伴随一个无语的微笑。是啊，这个能提高成绩？这个能赚钱？ 在自己学习的过程中，也遇到过很多问题： 我知道用编程语言写软件，可是软件到底是怎么运行的呢？操作系统负责什么？编译器做了什么工作？是谁屏蔽了不同硬件之间的差异？我知道硬件只用0、1对应高、低电平，可是高低电平是如何进行运算的？加减乘除，各种操作怎么实现的？硬件和软件是如何协作起来的？屏幕上显示的一个字符到底经历了什么？～～～～～～～总之，就是对计算机的整体运行很感兴趣，但是又很不得法，不知道这些问题去哪里找答案。 但是，看完这本书： 计算机的原理大部分都是围绕CPU，所以，对CPU有一个整体的掌握就能很大程度上对计算机原理有一个概览。虽不知细节，但是知道整体相貌。CPU的研究生产有一个整体认识。从历史发展的角度，对各厂商有了一个了解。当前格局，发展自己的芯片很难，建立生态更难。但是，这是必经之路。在如此利益的今天，还能有一批人，甘坐冷板凳，继续研发，这是智慧、胆识气魄。从书中语言可以看出，我们自己的芯片发展很“务实”，脚踏实地。总之，这本书不能说不需要基础，但是有限，况且具体技术没必要深究。但是却对构建整体架构很有意义，建议去读。

佩服作者的阅历及眼光。对cpu没有这么深刻的认识和理解，是不会这么通俗易懂，深入浅出介绍cpu的。 全书介绍了cpu从技术，设计，生产，到生态的方方面面。从cpu概括，讲述了cpu的演进变化，与架构的形成，经过诞生到现在的迭代，cpu已经在性能上有了飞跃。接着，讲述了cpu专有术语，主要是指令集和微架构。然后，讲到cpu原理，这一块到讲述了很多cpu的干货，如果相对cpu有深入的认识与理解需要阅读一下。cpu系统包含了操作系统和应用软件。cpu生产制造讲述了从芯片设计，到单晶硅生产，再到芯片生产的各个环节。作者由讲述了当今cpu家族主流的cpu以及他们所服务的领域。接着又引入了cpu生态思考，一流企业做标准，二流企业做品牌，三流企业做产品。最后回顾与展望了中国cpu发展，经历的技术-市场-技术的路线。 值得阅读的一本书，从cpu相关的技术，生产制造，到产业生态都有呈现。其中也包含了作者的一些思考。在当前被西方限制芯片发展的大环境下，其实芯片设计、制造是一部分，更多的是怎么建立好整合生态，这才是与众多cpu厂商同台竞技，经得起市场考验，长足发展的保障。

本着了解“龙芯中科”来读这本书，但由于本书的内容于我自己的生活知识过于遥远，试图阅读两次都没办法坚持读完，直到第三次才发现这是一本难得的科普教育书，为了加强印象，自己还把其中划线部分作了摘录分享。最大的三个收获是： 1、现代竞争已经从资本家之间的竞争到了国家层面的竞争，也就是国家资本的竞争。书中提到20世纪80、90年代，国产CPU之所以失败就是没有列入国家层面的战略性规划和支持。 2、以芯片为基础的信息产业，代表着人类商业竞争的最高级别的竞争——生态、体系化竞争，任何认识不到这一的都将被淘汰。 3、由1、2点的基础决定，未来企业要想胜出，必将是基于“资本、人才、体制、时间”的四维竞争，少一维都意味着被淘汰。 另外，龙芯中科，要想胜出，难度非常大，就算是有可能，时间成本也是很持久的。

一本把 CPU 讲得通透的通识书，没有堆砌晦涩术语，而是从底层架构、流水线技术到指令集演进，一步步拆解芯片的 “大脑” 是如何工作的。对于想搞懂硬件底层逻辑的科技爱好者，这本书既友好也有深度。 唯一觉得过犹不及的是对龙芯的推崇到了让人有点尴尬的程度，全文都是在给龙芯做广告，虽然理解作者的情怀，但是作为科普书，还是要客观一点。

花了12h左右读完本书，笔记和感想都不少。 本书2022年1月出版，结合《计算机体系结构基础》、《看懂芯片原来这么简单》阅读，才发现都是龙芯系列的CPU、计算机原理相关书籍。2018年5月后，芯片/集成电路、操作系统、编译器从业者或将迎来如同过去10年间软件、互联网的大好时代，且我认为将远不止黄金10年，毕竟目前企业还处于萌芽期。 优点： 1. 集成电路产业中如何从沙子到半导体材料、从电路逻辑设计到芯片交付的流程介绍（设计、验证、封装、测试、流片等） 2. 模拟元器件（二极管、场效应管FET、三极管、电阻、电容、电感）、数字元器件（CMOS反相器、二极管等）简单介绍 3. 高性能CPU架构原理，如动态流水线经典算法Tomasulo、乱序执行、转移猜测等 4. 话语权：Intel（x86）、AMD在整机芯片上的垄断地位，苹果在手机行业上利润率的鹤立鸡群 5. 高屋建瓴地提到系统工程，所以需要软硬件知识、经验兼具 可以看到CPU、计算机原理、操作系统等过去被忽视的冰川下的知识正被重新发掘和重视起来，真可谓风水轮流转。 读完本书后，再读电路分析、模拟电路、数字电路、Verilog HDL、计算机组成原理、计算机体系结构、操作系统、计算机网络（协议规范）、C/C++、Linux、数据结构及算法，以及进行项目设计时，内心会更多一份脚踏实地的平和

1）把性能差异讲得清 不再停留在“频率高就快”，而能解释： • 为什么缓存能决定体感 • 为什么分支预测影响巨大 • 为什么乱序执行能榨干指令级并行 • 为什么内存墙让算力“等数据” 2）理解“做CPU难在哪” 难不止在设计，更难在： • 验证（证明“几乎所有情况都正确”） • 生态（编译器、操作系统、应用适配） • 工艺与良率（设计再好，造不出来=0） 3）建立一套看芯片项目的“判断框架” 你能更快判断一个CPU项目： • 是做IP还是做整芯片？ • 依赖生态还是自建生态？ • 性能瓶颈在架构、工艺还是软件？ • 商业化路径是服务器/PC/手机/车规/工业？ 核心概念地图（通识版） • ISA（指令集）：CPU“会听懂什么语言”（x86/ARM/RISC-V） • 微架构：同一种语言，不同人“怎么干活”（流水线深度、乱序、分支预测、缓存层级） • 内存层次：寄存器→L1/L2/L3→内存→存储，越往下越慢 • 性能公式：性能≈频率×每周期指令数（IPC）×并行度，但会被内存与分支拖累 • 功耗墙：越快越热，性能/功耗/面积永远在三角里取舍 1️⃣ “CPU的速度，很多时候不是‘算’出来的，是‘等’出来的。” 大量时间花在等数据从更慢的层级回来（内存墙），所以缓存与预取很关键。 2️⃣ “频率只是油门，IPC才是发动机效率。” 同样3GHz，不同微架构每拍能做的事差很多；IPC由流水线、乱序、预测、缓存共同决定。 3️⃣ “缓存不是配角，是决定体验的主角。” 命中缓存=飞； miss进内存=卡。很多应用的瓶颈根本不在算术单元。 4️⃣ “流水线让CPU像工厂：分工越细越快，但返工越痛。” 流水线深可以提高频率，但一旦分支预测错了，清空流水线代价更大。 5️⃣ “分支预测的意义，是把未来‘赌对’。” 程序里大量if/跳转；预测错一次可能浪费十几到几十个周期。 6️⃣ “乱序执行不是炫技，是把空闲时间捡回来。” 当某条指令在等数据时，CPU先做别的能做的事，提升利用率。 7️⃣ “CPU设计永远是三角形：性能、功耗、面积，三者不可兼得。” 加缓存/加核心/加预测器都能提性能，但都会带来功耗和芯片面积成本。 8️⃣ “更难的不是‘画出来’，而是‘证明它不会错’。” 验证是CPU工程里最吃人力/时间的一环，Bug可能只在极小概率场景触发。 9️⃣ “指令集决定上限，生态决定生死。” 没有编译器、OS、工具链、应用适配，再好的芯片也难落地；生态是护城河。 🔟 “工艺不是背景板，是架构选择的边界条件。” 不同制程下可承受的频率、功耗密度、良率不同，反过来约束架构。 1️⃣1️⃣ “CPU不是一颗芯片，是一套系统工程。” 微架构+验证+EDA+封装+软件栈+供应链，任何一环拉胯都会拖死产品。 1️⃣2️⃣ 看懂CPU，本质是看懂‘计算与数据移动’的战争。” 现代性能竞争不止是算力，更是数据如何更快、更省电地到达算力单元。

后面几章，看得我如坐针毡、如芒刺背、如鲠在喉（有一节开头居然是《龙芯飞扬》的歌词，全书的结尾是《龙芯誓词》，什么成分，想必大家清楚了吧）。。碍于沉没成本和轻微的强迫症，还是看完了。如果把关于龙芯的水内容（尬吹、无逻辑吹的内容）删除，剩下的真·CPU通识还是蛮不错的，看完也算有点小小收获（都在笔记里，懒得总结了）。

相当于是回忆了一下大学一半的课程，很不错。虽然我不是学计算机专业的，但也有一些接近，尤其是《微机原理》这门课是我大三立志转型好好学习的代表课程，跨学院的专业必修，印象极其深刻。感谢这门课的老师，讲的非常细致透彻，我现在还能记得他是一个长相粗糙的大哥，但记不住名字了。也感谢那个时候的自己，反应超快，记忆力超强，也终于醒悟过来不能把大学荒废了，能够沉下心来好好学习了。

只看了试读，乱七八糟，不知所谓。作者根本不知道通识课是什么，教材应该怎么写，素材应该怎么组织，逻辑顺序是什么。