芯片设计的起源

芯片设计的起源半导体行业观察 2020-02-03 12:03:56

1

酒，

凡人喝是要醉的。

仙人喝是会造世的。

李白一斗诗百篇，长安市上酒家眠。张旭三杯草圣传，挥毫落纸如云烟。

最早的集成电路设计师也是一个酒鬼，一个爱竖中指的酒鬼，一个不给酒喝就不作报告的酒鬼——Robert Widlar。

1963年，在集成电路“被”发明5年后，喝的醉醺醺的Widlar跑到一家硅谷公司，然后指着人家的鼻子说你们的电路设计都他X的是Bullshit。这种行为可以称为太岁头上动土，因为这家公司的老板之一发明了正真意义的集成电路，他名字叫Bob Noyce。只可惜Noyce活得没有Jack Kilby久，没等到诺贝尔奖砸下来的那一天。自然，那公司就是Noyce等八位叛出师门——晶体管发明者Shockley后的创立的Fairchild仙童半导体，史称Traitorous Eight（仙童八叛徒）。

仙童八“叛徒”（Traitorous Eight），背叛Shockley创立仙童半导体

然后，仙童雇了Widlar帮他们设计模拟电路。（听上去像受虐狂？）

接下来，Widlar说：

要有运算放大器，于是有了μA702,

要有带隙基准，于是有了LM113,

要有功率放大输出，于是有了μA709,

要有线性稳压器（LDO），于是有了LM100。

（那些μA是不是很眼熟，对，就是模拟电路学基础里面里μA741的祖宗。μA系列的运放统治了人类集成电路模拟芯片20年。）

硅谷的半导体人都很讨厌这个自以为是的酒鬼，但是又不得不佩服那个天才。佩服到国家半导体（National Semiconductor, Wildar后面几年的雇主，几年前被TI收购）的广告用的是Widlar的标志性的中指来蔑视对手。

（本图片会令某些读者感到不适）

然后，Widlar说，我要退休了，在33岁的时候。坊间有短文写了模拟电路的九重境界，境界最高的是住在太平洋的小岛上钓鱼，然后偶尔瞥一眼人间的芸芸电路，这就是Widlar退休后的生活。当然，他还是偶尔会入世一下，比如在1981年的时候，一不小心创立了Linear Technology（凌特，前两年被ADI收购了）。

1991年Widlar死于因长期酗酒引发的心脏病，55岁，酒鬼的命。

2

Widlar波西米亚式的美式英雄主义拥有很多迷弟。1969年，一个刚从Arizona毕业的小Ph.D抱着对Widlar的无限憧憬，加入仙童半导体。

只可惜那时候，Widlar已经离开了仙童，走的时候还不忘指着公司大VP Gordon Moore（对，就是摩尔定律的那个摩尔）鼻子说：傻X都是会做数字电路（原话：Every idiot can count from zero to one）。因为Moore认为仙童应该把战略着重于数字电路发展。很快，Noyce和Moore也离开了仙童，去开创他们的大英帝国（intel），这自然是后话。

1971年， 没有了主心骨的仙童已经风雨飘摇，遭遇大萧条。这一年，那个迷弟遇见了附近一个学校的一位教授，那位教授说他们缺一位教电路的老师教电路基础理论，其实是他自己不想上了就找了个接盘侠上。恰好那个迷弟刚有了儿子，不如归去地换一份安稳的差事。

那间学校叫做加州大学伯克利分校（UC Berkeley），那位教授叫Donald Pederson。IEEE固态电路协会（就是ISSCC/JSSC的那个Solid State Circuit的固态电路）的最高荣誉称为为IEEE Donald Pederson奖，每年在ISSCC上由IEEE主席授予，用于纪念芯片设计的开山鼻祖——Donald Pederson。

先提一下迷弟，他最终继承了Widlar的衣钵，开创了模拟电路的黄金时代。他和他学生们发明了这个世界上的已有的大部分模拟电路/数模混合集成电路，包括行云流水的放大器、开关电容滤波器、采样电路、和逐次比较型/流水线型/Delta-Sgima型/Time-interleaved型的ADC。更重要的，他写了模拟电路设计领域的当之无愧的”圣经“——Analysis and Design Analog Integrated Circuits ，已经出了五版。（虽然他的学生辈有一位写了一本类似”圣经故事“的教科书，好像流传更广，因为更容易懂，但圣经地位不容挑战）。

他是Paul Gray，曾任UC Berkeley的副校长，美国的两院院士。

3

回到Pederson，整个固态电路愿奉他为开山一哥，并不在于他的电路设计能力，而源于他愿意给一门从来没有开过的课打分。

1969年，在仙童混的并不怎么开心的Ron Rohrer打算去UC Berkeley上上课，做个副业散散心。原来上这课的老师去当系主任了，就随他便爱咋上咋上。在这门课上，他布置了一个史无前例的作业，写一个电路模拟器，支持直流/交流/时序分析，支持各种半导体器件，然后邀请Don Pederson做评委，决定给谁A。Pederson最满意的学生叫做Larry Nagel，他把他的课程设计起名为Circuit Analysis of Nonlinear Circuits, Excluding Radiation，简写为CANCER。常说，起名字的艺术是缺啥补啥，所以这帮书呆子要补cancer么？（cancer中文翻译为癌症。）

尔后，Pederson收了这个学生做博士，进一步优化CANCER。当然，优化的第一步就是起一个好听的名字，CANCER很快被改名为Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis，简写为SPICE。SPICE作为一篇论文，当时也没啥很好归宿，只在1973年中了一篇Midwest Circuits Theory的会议论文（现在这会叫做MWSCAS，也是小编学术灌水的起点，现在看来突然爆有成就感。）

然而，学术圈的”了了“并没有阻碍SPICE的光芒万丈。直到今天，SPICE仍然在影响着每一片芯片。所有的EDA厂商都提供基于SPICE的仿真器，Cadence有PSPICE和Spectre，Synopsys有HSPICE，国产华大九天有ALPS（Accurate Large-capacity Parallel Spice，市面上唯一支持GPU并行的集成电路仿真器），还有上文提到的凌特仍然在提供免费版的LTSPICE供电路爱好者使用。

**不能算广告** 我国EDA厂商华大九天于2018年发布的ALPS-GT仿真器成为了第一个跑在GPU上的SPICE，性能超越了HSPICE和Spectre

SPICE是整个晶体管级设计的中流砥柱，也是集成电路的EDA学科的奠基石。如今的电路设计师们对SPICE的依赖，已经让我们无法想象，在没有SPICE的岁月里，Widlar们是靠怎样的智慧在一片Wafer硅片上搞出一个完整的运算放大器的了。

为什么SPICE会成功？我觉得有两个答案：

1）开源、开源、开源。（重要的事情说三遍）

2）作为一个仿真器，SPICE令电路设计“平民”化了。在SPICE之前，只有Widlar这样的天才才能设计优美的电路；但有了SPICE之后，庸才的可以通过一种新生的动物——SPICE Monkey（泛指那些搞不懂电路原理但是仍能通过仿真瞎撞出电路的解）来设计高性能的电路。

顺便提一句，那些模拟电路大佬不要再歧视SPICE Monkey们了，如今风声水起的人工智能强化学习/AlphaZero用的就是这泼猴，SPICE又能跑GPU了，分分钟能抢你们的饭碗。

4

1971年11月15日，离开仙童两年后的Noyce和Moore搞了一个大新闻——Intel发布了人类第一颗微处理器芯片，代号4004，因为它是一颗4位的处理器芯片。不到一年，Intel又发布了8008，第一颗8位处理器。这两颗芯片另一个划时代的意义在于使用MOS管做的，4004/8008的成功也宣告了基于双极型晶体管的TTL逻辑门在大规模集成电路中下课了！

intel 8008的芯片版图与封装

当年，Intel更成功的战场是存储器芯片，特别是DRAM。因此8008采用的寄存器部分的电路（包括各类Register和PC-就是instruction register）都采用了自家的DRAM设计。这些东西也是从版图照片（上图右上部分）上看上去唯一接近现代超大规模集成电路（Very Large Scale Integrated Circuits）的部分。

也是从这时起，整个硅谷才意识到Intel的老板6年前的的一篇灌水文《Cramming more components onto integrated circuits》开始有点那么回事儿。

加州理工学院的Carver Mead教授就第一个站出来，举荐把上面那篇水文的结论命名为“Moore‘s Law”，就是现在每个芯片人耳熟能详的摩尔定律。然后，intel就请他当了好久好久的consultant。听上去像不像那种武侠小说里推 (gui) 派 (tian) 武林盟主的场面？

4004和8008虽然具有里程碑式意义，但是缺点也是明显的——他们都是人徒手画出了的。他们使用的晶体管数量都只在两三千个左右，人力终是有限。那么，问题来了——按照摩尔定律，芯片设计怎样向两三万、二三十万，两三百万、两三亿…个晶体管迈进？

5

解决这个问题的人，在70年代初本来是打算离开硬件这个坑，去当码农的。

不是因为她平庸，而是太卓越。27岁的时候，她就公认是计算机体系结构的天才，发明了最最基础的CPU提速方法——乱序动态调度（Out-of-order Dynamic Scheduling）架构，在集成电路微处理器芯片还没出现前，大家还没搞清楚啥是冯诺依曼架构的时候，就在IBM就造出了人类第一台超标量（Superscalar）计算机。

有个小错误，年少成名的时候，她应该是他。后来，他变性为了她。

因为变性手术，IBM开除了这位女装大佬，就像英国人无法忍受图灵是个同性恋一样，不管你贡献再优秀。受此打击，变性后的她打算隐姓埋名，相忘于江湖。在一本自己爱看的小说里找了自己喜欢的女主的名字按在自己头上，这样一个崭新的Lynn Conway诞生了，至于本名现在已经被灭迹得差不多了，不可考了。

风韵犹存的Lynn Conway，摄于2000年

长江后浪推前浪，Conway突然发现4004诞生后，TTL的时代一去不复返，她一个不懂的MOSFET的体系结构工程师恐怕是要下岗了。于是她放弃仙童体系架构师的优缺，去了施乐（Xerox，就是那个打印机公司）写软件，简直就是归隐藏经阁的扫地僧。

巧的是，那个定下Moore定律盛名的Mead教授找上了施乐，要写一个软件来完成多器件环境下的布线。

暌违数年后，Conway在1978年完成他人生的第二个大成就——提出了全新的数字电路/超大规模集成电路设计方法，可以简单描述为两个层面：

（1）布局采用长得一样高的数字标准单元库，用棒图（stick diagram）符号化，然后抽象出门级模型

（2）走线基于特征尺寸lamda的布线网格（grid），算法简洁且能跟随摩尔定律缩减

上述两条被认为是超大规模集成电路方法学的起点。原来是一坨浆糊的数字电路设计流程，被很快地分割成抽象层的逻辑表达，和物理层的版图实现，即我们所常用的RTL前端和版图后端。今天，数字电路仍然遵循了这样的分工模式。

这看上去的一小步，却是芯片史上最大的一步！

有了方法学，才逐步形成了综合/自动布局布线等EDA工具链；

有了方法学，电路设计和工艺制造的接口才完全明确，促生了一种全新的流片模式——MPW，不同的设计/同一种工艺的小批量打样（DARPA基于该成果打造了MOSIS，专注于MPW设计流程）；

有了方法学，和MPW，才有现在的Fabless IC Design House+Foundry的主流芯片模式。

大繁至简，或许可以归纳Lynn Conway的方法学。

后 记

其实1963-1978还发生了很多事，比如一颗DRAM，无源滤波器，ISSCC的第一次召开等等……毕竟那是一个开宗立派的年代，但是我还是最喜欢这个五个故事，代表了芯片设计中模拟/数字/数模混合/EDA的起源。在这特殊的年节，矽说祝大家节日愉快。如果有可能，可以慢慢思考那些故事给你科研的启发。

今天是《半导体行业观察》为您分享的第2209期内容，欢迎关注。

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