芯片的世界丨科普芯片基础知识，带你亲手设计一个芯片
关注「黑洞科技观察」
传递科技背后的思考
大家好，本文是“芯片的世界”系列文章的第三篇。
第一篇：芯片的世界丨这根棒子也要卡脖子？它是迄今人类提取的最纯物质
第二篇：芯片的世界丨比亚迪芯片自给自足不怕断供？帮你科普半导体的**
关注国产芯片事业的你，一定有很多困惑，能让大国科技举步维艰的技术，到底是有多难？
其实，芯片这个东西，说难是真难，就拿5nm光刻机来说，10多万个零部件组成，一个一个数一遍，可能大部分我们现在都不能生产。
可是，芯片说简单也简单，从原理上来说，只要你有一定的知识基础，都能搞清楚。在这一点上还确实是“科技无国界”。至少到现在，相关的书籍、**等知识都是能够公开获取到的，差的主要就是产业经验和技术实力。
今天，我就和大家一起看看芯片到底有多简单，本文的目标是科普一些基本数学知识，然后设计一个最简单的芯片！
芯片的基础
芯片，作为最重要的半导体产品，实现了特定功能。比如电脑CPU实现了计算、显示、读写内存硬盘数据、接受鼠标键盘输入等等丰富的功能。
那大家有没有想过，芯片的基础是什么？
可能有人马上会想到硅，硅作为半导体材料是芯片的基础。可是喝水的玻璃杯也有硅呀，它就不值钱，所以硅不是根本基础。芯片为什么要用硅？是因为要在硅上面制造集成电路！硅的特点是能在很小的面积上集成大量的电路器件。
这么说芯片的基础是电路？电路有很多种，家里的灯泡和开关也组成一个电路，这和芯片没啥关系。芯片用到的是逻辑电路。
再试一次，芯片的基础是逻辑电路？呃，已经很接近了，但是还不是，逻辑电路是做逻辑运算的，逻辑运算也叫布尔代数运算。
所以，芯片的根本基础是数学！更具体的说是布尔代数！
这个结论一点儿也不奇怪，大家都知道物理学的基础是数学，就连伟大的物理学家牛顿都和阿基米德、高斯一起并称世界三大数学家。
布尔代数
了解最基本的布尔代数，你就会知道机器是怎么运算，也就明白了芯片要怎样设计。
接下来我就介绍一下二进制和布尔代数，下面的内容争取让小朋友都能明白。
为什么能让小朋友都明白呢？因为数学家布尔本人，就没上过大学，靠自学成才，并在19岁开办了一所小学，经营了10多年。他认为自己最主要的职业是教师，他的愿望是帮孩子们找到理解和掌握复杂规律的方法。
布尔代数的起源，是希望用数学表达人的逻辑思维。
其中和计算机相关的是几个重要的布尔运算：
1、与 运算
举个例子：我喜欢吃烤羊肉串
我们让A代表烧烤，B代表羊肉串。
则上面的表达变为了：
A和B都是真，做运算的结果才是真。比如，烤牛肉串，就是A=1，B=0，AandB=0。所以我不喜欢烤牛肉串。
2、或 运算
举个例子：我喜欢吃烧烤或是火锅。
我们让A代表烧烤，B代表火锅。
则上面的表达变成了：
不管是烧烤还是火锅，只要有一个我就吃，当然两样都来更好！
3、非 运算
举个例子：我不喜欢吃辣。
我们让A代表辣。
则上面的表达变成了：
4、异或 运算
举个例子：我最喜欢吃烧烤和冰激凌，但是一起吃会拉肚子。
我们让A代表烧烤，B代表冰激凌。
则上面的表达变成了：
理解这个运算可能有点儿难，啥意思呢？就是A和B不能一样，没有烧烤没有冰激凌肯定不行，可是一起来也承受不了！
除了上面4种布尔运算，还有与非、或非、异或非运算。从异或运算可以看出，全部的运算都可以由与、或、非运算结合产生。
二进制运算
咱们接着讲二进制运算。
二进制就是用0、1表示一切数字，每一位上只能是0和1，到了2就要进位。
比如，十进制的2，用二进制表示就得进位了，变成两位数10，而十进制3就是11。
二进制是德国数学家莱布尼茨在300多年前发明的，那个时候连计算机的影子还没有，到底莱布尼茨为啥要发明一个当时根本没用的二进制，说实话没人能搞清楚。
说起二进制，不得不说一下我国的八卦，不是到处乱讲的那种娱乐圈八卦，而是真正的八卦。
八卦讲究的是两仪生四象，四象生八卦：
看到没有，很多人认为八卦就是二进制的先驱。两仪是阴阳，也就是0和1，四象是二进制两位数，八卦是二进制三位数，而伏羲64卦就是二进制的六位数：
貌似道理还真是一样，咱们的老祖先当时基于什么发明的八卦，说实话这也搞不清楚。
可有人却翻出了当时莱布尼茨和一位在北京生活的传教士的信，来试图证明莱布尼茨发明二进制是受了我国八卦的启发，而且很多人都信了这个说法。
实际的过程是这样的：当时莱布尼茨给这位传教士写信，希望他向康熙皇帝介绍二进制，这个传教士一看，这不就是我国的八卦么，给莱布尼茨回信说了八卦的情况。然后莱布尼茨写了一篇文章论述二进制在我国的实际应用。
莱布尼茨到底受没受八卦启发，都是猜测，就算莱布尼茨受了八卦的启发，那又怎样？在莱布尼茨发明二进制的时候，我们的康熙大帝正在打吴三桂呢，我们的现代文明还没有开化。
所以，关于八卦和二进制的事，我们就当它是八卦好了，咱们接着说二进制计算。
假设有两个一位的二进制数要相加，那么会有四种可能：
前三种情况不需要进位，后一种情况和S是一个两位二进制数，所以需要进位，我们单独设置一个进位标识C。
大家发现没有，二进制的加法和上面介绍的布尔运算是一样的：
- 加法的和就是两个加数的异或运算
- 加法的进位标识就是两个加数的与运算
我们用布尔运算符做个逻辑图，就是这样的：
上面就是一个用布尔运算符表示的半加器，可以进一步表示如下：
为什么叫半加器呢？这是因为计算A+B的时候，没有考虑上一位有没有进位的情况，所以这个半加器只能计算二进制数最末一位上的加法。
如果A和B不是末位上的数，那就要考虑前一位的计算结果有没有进位（Cin是上一位的进位标识，Cout是当前位计算完向上一位的进位情况），会有8种情况：
这个过程可以通过2个半加器和一个或运算来实现：
这就是全加器：
看，我们只用布尔代数的四个运算符，就实现了一位二进制数的加法。
其实，我们只用了三个运算符，因为异或运算可以画成与、或、非运算的组合，当然这样太麻烦。
全加器也是一样，如果我们不怕麻烦，可以细致的画成异或、与、或运算的组合。
八位二进制加法器
大家看吧，关于计算机的数学也不难。
接下来最神奇的要来了，我们要用刚刚学到的布尔代数知识，设计一个最简单的芯片。
这是一个能够进行八位二进制数加法的加法器。
这还是有一些挑战的，这个加法器，如果做出来也算是一个最简单的芯片，真的是芯片哦！
这个加法器的输入是2个八位二进制数：
一个用A表示，八位分别是A[0]，......，A[7]；
另一个用B表示，八位分别是B[0]，......，B[7]；
还有一个输入是进位标识Cin，如果这个加法器单独使用时，这个输入始终置0。
输出是S，八位分别是S[0]，......，S[7]；
输出进位标识是Cout。
下面请大家看看，这个加法器到底是什么样子：
这就是一个用8个全加器构成的八位二进制加法器，神奇不神奇？
我们没有添加任何其他的东西，就是刚刚学过的全加器，如果大家有兴趣，可以把每个全加器用2个半加器和一个或运算符展开。
进一步可以再把每个半加器用异或运算符和与运算符展开，不知道哪位读者有兴趣，反正用手画，我是会崩溃的。
而这一切，在芯片设计的时候，都是由EDA软件来完成。
后续工作
到此，我们已经在逻辑上设计了一个功能最简单的八位二进制加法芯片。
为什么要说是逻辑上呢？因为到目前为止，我们还没有用到任何电路知识。所涉及的全部是布尔代数知识，所以这个芯片是逻辑上可行，但是还无法制造。
那怎么做出实际能用的芯片呢？
首先我们需要有和上面布尔运算符对应的电子元件，实现同样的功能。然后按照设计把这些元件连接起来。这样就有了实际的电路，这种电路就叫门电路。实现了上面布尔运算的元件就叫门元件。
最终，我们要在硅片上面制作出这种门元件，这样就在硅片上面实现了门电路，也就是集成电路。
最后，再把这个集成电路切割下来，把输入输出引脚做好，然后封装，一个完整的芯片就产生了！
所有这些后续的工作，我都会在接下来的文章一点儿一点儿和大家一起学习！
如果您对我的文章感兴趣，欢迎关注我！
谢谢！
当前，以芯片为代表的信创产业逐步成为国家科技竞争力的重要标志。在国产CPU产业强势崛起的过程中，你首先想到的会是哪几企业？答案有很多，但“中科系”的提及率绝对很高。作为国家战略科技力量，“中科系”旗下
21世纪经济报道记者倪雨晴 圣何塞报道在硅谷源泉之一的圣何塞，英特尔CEO帕特·基辛格（Pat Gelsinger）正在带领英特尔加速奔跑。当地时间9月19日，2023英特尔on技术创新大会于美国加利
财联社9月19日讯（记者 唐植潇）近日有消息称，OPPO将会重启芯片业务，并且“有部分员工已经回流，加入到了车载业务之中”。记者就此事向OPPO方面进行核实，对方表示“不予置评”。特百惠（我国）数字与
600亿颗芯片！我国巨头正式宣布，美媒：**也没料到制裁这么快
我国芯片市场与美国依赖我国的集成电路市场一直以来都是一个巨大的市场，拥有庞大的需求和巨大的增长潜力。我国的电子消费市场一直在迅速增长，包括智能手机、电视、电脑和各种智能设备等，这些设备都需要高性能的芯
最新手机芯片天梯图：A17、华为麒麟9000S，排在什么位置？
近日，最火的两颗芯片分别是苹果的3nm芯片A17 Pro，虽然很多人吐槽它较上一代提升不明显，但论性能，可以碾压任何安卓芯片，甚至是领先2代的。另外一款芯片，则是华为麒麟9000S，当然，这颗芯片工艺
韩国芯片连续13个月暴跌，尹锡悦指责我国不采购，外媒：自食其果
据韩国媒体称，韩国的半导体出口额已经连续暴跌13个月了，比去年同比下降了28%左右。韩国政府急的焦头烂额。尹锡悦政府竟直接甩锅我国，话里话外都是指责，他认为韩国半导体卖不出竟是我国的原因，我国应该帮助
我国突破芯片瓶颈将影响全球秩序？美国很担心，指出我国关键弱点
我国在芯片半导体领域一直深受美国的**，通过贸易制裁的方式阻止高端芯片进入我国市场。这样的举措一度造成我国芯片领域发展断档，不过随着我国科技企业近几年的突破，目前我国已经在芯片制造方面取得了重大的成果
前几天，华为一声不响的上线了mate60系列，带着麒麟芯片9000s强势回归，吸引了全世界的目光。而华为麒麟芯片**背后，我们不该忘记这位老人—张汝京。我国半导体之父，为回**造芯片，被开除**户籍，
【有车以后 资讯】“未来汽车对传统汽车的颠覆性，使传统零部件体系的50%以上都面临重构。”12月16日，在全球智能汽车产业峰会(GIV2022)上，我国电动汽车百人会理事长陈清泰指出，智能汽车的价值链
投稿点这里汽车有多少个零件?其实这个问题并没有一个十分确切的标准答案...据估计，一般轿车约由1万多个不可拆解的**零部件组装而成。结构极其复杂的特制汽车，如F1赛车等，其**零部件的数量可达到2万个
全球最大的10家汽车零部件供应商 都是世界500强 无我国企业
【卡车之家 原创】美国《财富》**每年发布的世界500强排行榜，是以营业收入数据对全球企业作出排名的榜单。2017年“世界500强”榜单中，汽车制造商和零部件厂商共占据33席（除去大型工程车辆企业），
汽车零部件企业哪家强？除了博世**还有这些名字你一定耳熟能详
文：懂车帝原创 李德喆[懂车帝原创 行业]9月18日，由《我国汽车报》主办，罗兰贝格协办的2019汽车零部件“双百强”企业发布会在江苏南京举行。在两份榜单中，博世、**、电装位列2019全球汽车零部件
行业现状（Reference：产业运行 | 2021年汽车工业经济运行情况）中汽协预测：2022年我国汽车销量达到2700万辆，新能源销量超过550万辆（Reference：乘用车市场信息联席会）以乘
全球十大汽车零部件供应商，核心技术都被他们垄断，自主遗憾缺席
提到电影，我们会想到张艺谋、冯小刚，而很少会想到幕后的制作人；提起流行乐，我们会想到周杰伦、萧敬腾，而很少会想到背后的作词人。台前台后，一幕之别，知名度往往相差甚远。车界又何尝不是如此，知名车企我们都
来源：环球时报 【环球时报记者 倪浩 陶震 环球时报驻德国特约记者 青木】经过3年疫情后，全球最具影响力的通信展今年有望再现往日盛况。2月27日至3月2日，由全球移动通信**协会（GSMA）主办的20
近日华为、苹果争相推出手机卫星通信功能，成为一大亮点，不少手机厂商也将目光投到卫星通信。放眼未来，手机直连卫星的卫星通信服务将是大势所趋，也是6G时代的重要标志。华为以“北斗三号”为依托，率先把“卫星
国内企业在光通信产品的参数测试过程中，通常使用国外的先进测试设备。然而，这些测试仪器之间往往是孤立存在的，需要手动调试仪器并通过旋钮、按钮和人眼观察波形或数据。这不仅*作繁琐易出错，而且测试效率低下。
龙头20cm涨停，7天股价翻倍！一文看懂卫星通信前世今生及产业链
卫星通信概念股华力创通今日再度强势拉升，截至发稿，该股股价20cm涨停，7个交易日累计涨幅近113%，现报23.52元续刷阶段新高，总市值155.9亿元。消息上，有媒体从供应链获悉，Mate 60 P
工信部：目前我国尚不具备实现网络层面的移动通信号码归属地变更的条件
针对网友提出的“电话号码归属地更改”建议，工信部近日给出了官方回复。此前，有网友在人民网留言板向工信部留言称，“现在电话都是实名制，电话号绑定的***及一些主流的软件较多，更换号码后造成一系列问题
