分而治之+知识累积 浅谈芯片设计与芯片制造

　　我毫不怀疑AI会有觉醒的一天，那么什么事件可以看作AI觉醒的标志呢？我认为是：AI自主设计了一颗可以运行自己的芯片。

　　今天的硅基集成电路诞生于1958-1959年，两家公司共享了发明集成电路的荣耀，他们是德克萨斯仪器公司（TI）和仙童半导体（Fairchild Semiconductor）。

　　在硅基集成电路之前，半导体业是基于金属锗来制造的。锗在元素周期表上坐第32把交椅，在它左边都是金属，右边都是非金属，所以它的特性既像金属又像非金属，导电能力介于两者之间，是非常好的半导体材料。但是锗如果作为工业材料有个很致命的缺陷：地球上没有锗矿。其实锗的总量不算小，但是这个元素几乎完全均匀地散布在岩石、泥土、泉水、以及其他各种矿物中，没有富集锗矿，提纯锗成本很高，这导致了锗时代的半导体只能在军工等小范围使用。

　　硅是锗的近亲，元素周期表上排名第14位，和锗在同一列。大家看看“硅”这个字也该知道，它不是金属。硅的导电性和锗很接近，最关键的一点是：硅是这个星球上含量最大的元素之一，整个地壳的3成质量是硅，以石英石为主的沙子几乎就是纯度很高的二氧化硅。

　　中学物理教过大家二极管和三极管的原理，用这些晶体管可以搭出信号可控的电路，把信号的高低电压抽象成1、0就变成了数字电路，可以用于数值计算和逻辑控制。集成电路就是在单晶硅片上制作大规模的晶体管电路，规模大到什么程度呢？华为在Mate8上用的麒麟950，面积15 x 15 mm，在这个和我指甲盖差不多大小的硅片上有30亿个晶体管。如果把每个晶体管想象成一间小房子，30亿间房子可以轻松容纳地球上所有的人。每间房子都和周围的房子有道路连接，这么形成一个超级城市，假设每间房加上道路的面积是10 x 10 m，总面积就会有30万平方公里，差不多是波兰的大小，接近中国云南省，再想象一下把这么一个布局得密密麻麻的波兰地图微缩到指甲盖上。

　　毫无疑问，这个世界上不可能有任何人能整体掌握这么一个复杂的“波兰地图”，那么芯片是怎么设计出来的呢？答案就是“分而治之”和“知识累积”。

　　一个巨大、复杂的芯片可以不断被拆成更小的功能单元，这些功能单元不断拆下去总会拆到一个单元的电路是人可以理解的程度，把这个过程倒过来就是“分而治之”。而一个功能的电路一旦设计好了，今后就可以直接拿来使用，就当它是个黑盒子，不断积累这种黑盒子，在设计的时候堆积黑盒子，就像搭积木建大厦一样，这就是“知识累积”。

　　看到这里，细心的人可能会有疑问：这么堆积电路实现功能，难道不会有冗余设计吗？这是肯定的，因为人类的脑容量已经没办法全面重新设计一个芯片了，所以基于模块化的设计必然会导致各个模块间包含一些电路是重复的，甚至部分电路是无用的，就是在空耗电能。

　　知识、设计型的制造业最怕被竞争对手恶意拷贝，比如你设计制造一款汽车，竞争对手买几辆回去，从头拆到尾，一个零件一个零件测量学习，然后模仿着造出来，这叫逆向工程，这种事情从汽车诞生到现在，从来没终止过。但是CPU、GPU这种大规模集成电路行业却从不惧怕竞争对手做逆向工程，有本事你买几颗Intel的CPU逆向一下试试看，上百亿个晶体管，远超过人脑记忆分析的能力范围了，即使是借助AI，由于各种选择分支太多太深，电脑对此无能为力，所以大规模集成电路行业可能是目前唯一只能正向设计，无法逆向分析的制造业。

　　前一段时间AlphaGo战胜了李世乭，这是人工智能上了不起的一件大事，因为围棋是没有办法用穷举法来下的，AlphaGo下围棋的方法和人类下围棋的方法没有本质区别，蒙特卡洛搜索的本质是随机，其实就是随机性地选取一些分支做尝试，然后记录下来每次尝试的结果，存在数据库里变成“知识”，下次直接调用，这在围棋上叫做“定式”。围棋的复杂度导致了人脑不可能全部推演整个棋局，所以人类棋手下棋时是人脑自动在做蒙特卡洛算法和调用“定式”。现代围棋如果从日本的本因坊算起是400多年，这么多年里人类的顶级棋手不断尝试、总结和修正了各种“定式”，今天一个棋手必须要经过大量的对弈和背谱，熟练掌握这些“定式”，职业棋手之间的比赛就是看谁能够更熟练地运用“定式”，甚至是创造“定式”。

　　下围棋和设计芯片非常像，芯片设计中的“知识累积”就是总结“定式”，每个公司在自己的领域可以积累独特的“定式”知识库，所以Intel虽然在x86 CPU领域绝对领先，但在GPU领域跟Nvidia比却总是有不小的差距。今天的半导体业分工已经非常细致，除了Intel等个别公司既做设计又有工厂，绝大部分半导体公司要么专门设计，要么专门制造，即便是设计也是各有所长，原因就是没人能有足够的资源全面覆盖，不如集中精力做好自己擅长的部分。在芯片的设计领域，即使是稍微挪动一点方向，比如从台式CPU到嵌入式CPU，或是Modem，就会形成明显的公司特长区隔。

　　现代围棋的发展已经到头了，80年代的棋王赵治勋、90年代的棋王李昌镐、2000年的棋王李世乭和最新棋王柯洁，如果他们能跨过时空用自己最好的状态对弈，没人能有明显的优势。每代棋王就是当期30岁以下棋手中最好的那个，随着年龄的增长，老棋王自动让位给新人，而且随着围棋“定式”总结越来越全面，每代棋王称霸的年纪也越来越小，因为20岁就是一个人脑力在记忆、运算上的巅峰期呀。

　　其实在芯片设计领域，这个问题也开始越来越明显了。回想一下20年前，Intel每次更新CPU的设计都能带来明显的运算能力提升，86、286、386、486、奔腾，这么一路下来，每次都是真正的“换代”设计。但是从奔腾4代以后这么多年里，x86的芯片设计虽然仍在进步，但是我们已经不关心电脑里装什么CPU了。我家里那个老Dell笔记本电脑是2006年买的，前两个月我给它装上最新的Windows 10，这个老家伙吭哧吭哧地喘了一阵子，居然启动了，虽然运行起来有点慢，但是我偶尔用用网银的需求已经完全满足了。而且这台电脑运行慢的主要因素可能是内存太小而不是CPU速度不够，如果我能给它换上4GB以上的RAM，估计正常运行就一点问题也没有了。