CPU通识课：CPU概述、CPU术语、CPU原理、CPU系统生产制造
CPU概述
做CPU的理由
①中国信息化生态的高额利润被国外厂商赚取②国外高端CPU有严重供应链风险，难以杜绝后面，受制于人（就有点像寄人篱下）
③信息安全：国外产品往往不提供设计资料和源代码。使用过程中常出现后门和漏洞，重要信息数据有被窃取、泄露的风险
④缺少CPU影响企业生产产品（如工业控制），经营活动也会受影响。
发展CPU的路线
1.市场换技术：“引进—消化—吸收”，漫长且吸收效果有待商榷
2.市场带技术：自研技术→自建生态→市场引导→技术进步→掌握核心技术
从低起点不断演进，在市场的不断拷打下迭代，越变越好
（其实我们普通人又何尝不是这样呢，虽然起点低，但是找准方向，有来自专家良好的反馈，就会越变越强。）
型号
1号：嵌入式、物联网——性能简单，功耗低
2号：工业控制、网络设备——性能适中、接口丰富
3号：台式机、服务器、笔记本电脑——性能强、核数多
按使用场景更具体的分CPU
1.科学计算：用于高性能超级计算机
2.信息化设备：兼顾计算性能、成本和功耗；用于台式计算机、服务器、笔记本计算机
3.移动计算：控制功耗、面积；用于手机、平板电脑
4.嵌入式：性能低，功耗低，成本低，带面向控制领域的接口；用于工业控制、电子设备
5.微控制器：带智能控制功能的电子设备都有
CPU难在哪里
1.电路设计
集成电路中最复杂，核心源码至少上百万行，且模块间存在复杂的网状调用关系，复杂度随代码行数增加呈指数级增长
有不断加入的高级机制：流水线、动态调度、多发射、猜测执行
2.生产工艺
晶体管本身的最小尺寸、两晶体管之间的最小距离都进入纳米级别的微观尺度，有制造纳米级芯片能力的企业目前为个位数
3.工程细节
工程细节包括：参数、材料、制造、可靠性
不能全靠自动化设计工具，也强烈依赖于人工设计，同时需要复合型人才以及人才间的磨合。
简单芯片开发：电子设计自动化（Electronic Design Automation, EDA）+verilog
CPU核心模块电路定制，增强性能、降低功耗：手工定制电路，在纳米级尺寸电路板上排布。
4.软件生态
CPU无法独立工作，离不开配合的操作系统、编译器、开发环境、应用软件。
先进的技术离不开产业合作的集聚力量，离不开生态的建设，甚至重要性超过技术本身。
中低端CPU、嵌入式CPU、微控制器CPU相对容易制造，但高端CPU制造则非常困难。
CPU主频、性能及其评价标准
计算机系统=软件（硬件上存储和处理的信息，无物理实体）+硬件（物理实体，电子设备和机械设备）
①存储器M：保存连续的二进制编码序列，内有指令（计算机要执行的独立操作）；多个指令构成指令队列/程序（一串连续执行的操作）
②控制器CC：在时钟模块的驱动下工作，时钟模块以一定频率向控制器发信号（主频），使
【1】控制器内部地址计数器值加一，
【2】地址计数器的内容发给存储器中的数据选择器，
【3】数据选择器把程序中对应的地址单元内容发给控制器，
【4】把内容保存至控制器内部存储单元中。
③运算器CA：“数据寄存器”：根据结果是0还是1决定是关还是开。其输出为计算结果的数据。
④输入设备I：给用户干预程序运行的手段，类似实际计算机的键盘、鼠标
⑤输出设备O：从控制器的数据寄存器中获取控制信息，产生控制结果
冯诺依曼体系结构：计算机=程序+存储
主频：CPU工作频率，其越高代表计算机在单位时间内能完成的工作越多。
主频无法无限提升，因为数据从一个模块传输到另一个模块需要时间，运算器中进行数据加工处理也需要时间。
计算机工作的最高主频=执行每一条指令的最短时间=所有数据通路上的传输时间（突破工艺可以缩短此时间）+运算器的加工处理时间
性能不仅和主频有关，也和硬件并行度所影响的计算性能有关（如输出设备扩容、存储器指令队列扩容、控制器中指令寄存器扩容、运算器扩容、数据寄存器扩位等等）。
- 高性能计算机在科学计算时使用的性能指标
- 每秒执行的百万级机器语言的指令数量（Million Instructions Per Second, MIPS）
- 每秒执行的百万级机器语言的浮点指令数量（Million Floatingpoint Operations per Second, MFLOPS）
- 面向问题的性能评价标准
- 基本思想：从实际生活中挑选有代表性的计算问题，并用软件解决，观察其运行时间。
- 屏蔽计算机本身的硬件参数，不考虑主频、指令，得到的结果更符合性能本质意义（计算机在单位时间内完成的计算量）
- SPEC CPU：涉及文件压缩、国际象棋求解、有限元模型、分子动力学、大气学、地震波模拟
不推荐的测试集是UnixBench
CPU术语
指令集/指令系统架构（Instruction System Architecture, ISA）：CPU运行的软件的二进制编码格式，指令编码的标准规范；软硬件接口，规定CPU功能，也是软件人员对CPU编程的接口。
“增量演进”：指令集的发展只能添加新指令，不允许删除现有指令，不允许改变现有指令功能
“向下兼容”：以前的软件一定可以在新指令集的CPU上运行，可以“继承”以前全部的软件成果
做指令集不难，但难在构建指令集的生态。
在台式计算机、服务器中使用CPU需要上百乃至更多指令。
电源管理、安全机制、虚拟化、调试接口等技术的指令集设计必须和CPU内部架构、操作系统统筹考虑，有时还要把CPU、操作系统原型开发出来，并进行长期测试验证。
CPU生态之核心技术
核心技术是高复杂系统，影响质量的因素众多。不能用分而治之的思想划分子系统，因为各个子系统间存在相互影响的关系。
此外高复杂系统还需要大量实验过程完善，需要经过“做出原型→试验→找到不足→改进原型→再试验”的循环。
难点其实不在科学原理，而是功能细节的完善。
技术创新的四大要素：资金、人才、体制机制、时间【最重要】
