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二、芯片设计考验公司技术水平
说说设计吧，芯片设计分为前端设计和后端设计。前端设计就像做建筑中的画设计图，芯片的逻辑、模块、门电路关系都是前端设计完成的。后端设计则是布局布线，芯片做出来，最终是个实际的东西，那每个mos管摆放什么位置，每一条线怎么连，这个都是后端设计决定的。前端设计没啥好说的，虽然技术含量非常高。
我就说说后端设计吧，有趣一点。5亿个mos管的布局布线，虽然很多用的是IP硬核，别的厂商已经帮忙做好了，但这绝对不是一个轻松的活。拿导线来说，两条导线在一个硅平面上不能交叉，它们可不像我们家里的导线，包了一层塑料。如果把5亿个mos管的导线放在一个平面上，还要让某些连接、某些不连接，还不能 交叉，这绝对是不可能的。
事实上，一个芯片布线，从上到下可能有十几层。每一层都是蜘蛛网一样的布线，如果我们化身成一个1nm的小人，进入芯片的世界走一圈，那绝对会现那是一个非常宏伟，非常不可思议的世界。后端设计除了要线路正确连接，还要使模块占用面积小，功耗小，规避二级效应，要求是很高的。名牌大学搞后端，搞个两年也才刚刚入门。
再说说仿真，芯片在流片之前，谁都不知道它长什么样子，更难以去揣测它设计是否成功、合理，流片成本又非常高，不可能为了验证设计是否成功去流片。这个时候就需要用到仿真，用计算机去模拟电路的运行情况。仿真贯穿芯片设计的始末，有前端仿真、后端仿真、模拟仿真、数字仿真…仿真脱离不了计算机仿真软件，像Sysnopys、Cadence它们是芯片设计、验证软件领域的巨擘，海思每年付给他们的费用我不知道，但起码千万级别。
仿真是一个需要超高性能计算机的任务，海思在IT中心有大量高性能计算机组成云计算资源，但在面对大型仿真时还是很吃力，跑几个小时只能模拟出芯片几秒钟的运行情况。因为要跑仿真，这些计算机一天24小时都在跑。顺便说一下我们部门一个Linux器的配置，英特尔4核4GCPU，内存16G。
这个只是一个打杂的器，放个数据库，编译几个软件。海思小网的Solaris接入器同时有上百人在上面办公。从这点也可以看出，做芯片投入还是非常大的，就光这些软件、硬件成本，每个人每年要花掉公司几十万。
再说说海思目前的水平，我也不想吹牛，确实和美国那些公司比起来有很大差距。毕竟80年代，人家芯片设计、制作都已经非常成熟的时候，我们才有第一台计算机。比如K3V2，它上面很多模块都是别人的，公司花了大笔钱买了版权，这个叫IP核。
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。
海思自主IP核不多，主要集中在基带方面和数字电视机顶盒方面，这两块还是比较牛的，海思机顶盒芯片占世界份额90%以上(听老大说)。像K3V2大部分还是在搭积木，搭个USB核，搭一个音频解码核…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。
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。K3V2年初时号称1.5G四核，到布密派时，又改口1.2G，到D1四核，又改成1.4G…可谓坑爹至极，这件事也引了不少争论。但估计大部分人和我原来一样，只知道争论多少G，不知道这个芯片频率意味着什么。先说说1G是什么概念吧，就是每秒钟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。
大家对海思比较好奇的，可能都有这么几点疑问：
海思用了ARM的IP核，是不是闭着眼睛就能把K3V2(海思4核A9架构处理器)整出来？
ARM核究竟是怎么回事？
开K3V2的团队实力如何，在海思地位怎么样？
海思究竟有没有竞争力，核心技术在哪里，和国外比相差多少？
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A9A15。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WINOOWs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40nmPDK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给华为的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，K3V2功耗低，说明海思这一块做得不错。这些外围的IP核海思很多都是外购的，海思也自主了一部分。所以说看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。再说说开K3V2的海思图灵团队，这个团队的前身是海思平台的数字什么开部，具体叫什么我忘了，做K3V2之前，也没什么名声。这个团队的技术实力和海思其它开部的技术实力差不多，因为做K3V2的时候图灵也没有说去别的部门抓厉害的壮丁进去。另外，K3V2完全不能说是海思做的最有技术含量的产品。海思成立七、八年了，做K3V2之前核心技术都在路由器芯片和安防芯片那块。
大家可以去一下华为最新的高性能路由器，吞吐量是思科高性能路由器的好几倍，至少领先思科一年。这是怎么做到的呢?因为那些路由器用的是海思专门定制的芯片，这些芯片也是ARM架构的，只是外围IP核变成了处理网络数据的IP核，这些IP核都是有自主知识产权的。把程序写进芯片是目前的一个趋势，典型的例子就是原来播放rmvb都是用播放器软解，软解的时候CPU占用率非常高，稍微清晰一点的容易卡，而现在的CPU或显卡基本都有硬解rmvb的的功能。 把程序写进芯片可以让程序跑得更快，所以华为的路由器在性能上可以超过思科。
所以说海思绝对不是第一次做ARM，能做出四核K3V2也是有原因的，另外八核、十六核目前都在研过程中。海思在做手机芯片时和国外厂商比，几乎没有任何优势，因为除了K3，原来基本没有做过手机芯片，IP核自主化程度还比较低，优势还得靠积累，这个要慢慢来。另外，海思也有自己的核心技术，其它厂商来做路由芯片，不见得能比海思做得好。
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