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1963—1978:芯片设计源起

2020-02-17 09:39:34 矽说 阅读:
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。

酒,KIFednc

凡人喝是要醉的。KIFednc

仙人喝是会造世的。KIFednc

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。KIFednc

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。KIFednc

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)。KIFednc

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

然后,仙童雇了Widlar帮他们设计模拟电路。(听上去像受虐狂?)KIFednc

接下来,Widlar说:KIFednc

要有运算放大器,于是有了μA702,KIFednc

要有带隙基准,于是有了LM113,KIFednc

要有功率放大输出,于是有了μA709,KIFednc

要有线性稳压器(LDO),于是有了LM100。KIFednc

(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。)KIFednc

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。KIFednc

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(本图片会令某些读者感到不适)KIFednc

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)。KIFednc

1991年Widlar死于因长期酗酒引发的心脏病,55岁,酒鬼的命。KIFednc

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。KIFednc

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。KIFednc

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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。KIFednc

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。KIFednc

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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)。KIFednc

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

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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。KIFednc

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。)KIFednc

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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。)KIFednc

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。KIFednc

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**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KIFednc

成为了第一个跑在GPU上的SPICE,性能超越了HSPICE和SpectreKIFednc

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。KIFednc

为什么SPICE会成功?我觉得有两个答案:KIFednc

1)开源、开源、开源。(重要的事情说三遍)KIFednc

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。KIFednc

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。KIFednc

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!KIFednc

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intel 8008的芯片版图与封装KIFednc

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。KIFednc

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。KIFednc

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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?KIFednc

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?KIFednc

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。KIFednc

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。KIFednc

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。KIFednc

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。KIFednc

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风韵犹存的Lynn Conway,摄于2000年KIFednc

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。KIFednc

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。KIFednc

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:KIFednc

(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KIFednc

(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KIFednc

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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。KIFednc

这看上去的一小步,却是芯片史上最大的一步!KIFednc

有了方法学,才逐步形成了综合/自动布局布线等EDA工具链;KIFednc

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);KIFednc

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

大繁至简,或许可以归纳Lynn Conway的方法学。KIFednc

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。KIFednc

(本文授权自公众号矽说,作者:痴笑;责编:Demi Xia)KIFednc

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