半導體初學-IP設計

Leon's View

8 min readMar 19, 2019

Hi 各位，今天要來班門弄斧一下

由於我過往的投資偏向投資傳產類型，最近希望跨足新的產業領域，所以在近期開始研究半導體，也讀了一些文章和台灣上市櫃公司的年報和法說會簡報，這篇文章是整理個人目前對於半導體產業的基礎認知，望行家勿笑

半導體產業上下游關係如下圖：

一、指令集

今天先講最上面的IP設計，要講IP就必須要先講指令集，什麼是指令集?

指令集，是一套讓晶片聽得懂指令的程式翻譯暗號

電腦理解語言的方式跟人類有所不同，人類說：「Hello, how are you?」，同樣一段話要讓電腦能理解的語言可能就會變成「010110000101010001010101……」，因此若要把程式的指令傳達給電腦，就必須仰賴一組特殊的翻譯暗碼，這套暗碼就是指令集。

若以棒球為例子，A隊的棒球教練站出來摸摸帽沿，A隊的所有球員都知道這是教練下達讓一壘跑者盜壘的指令，但一壘跑者為什麼知道這個指令，是因為整個棒球隊事先都約定好了各種動作所代表的指令，知道翻譯動作的暗碼是什麼，這套暗碼這就是棒球隊的指令集

而回到晶片，指令集就是這個晶片棒球隊的暗碼，晶片棒球隊成員都約定好，要用某一組暗號來翻譯程式的指令給IC晶片，假如我今天點擊UBER的程式叫車，人類只是動動手指，但要把叫車的指令傳達到手機的IC晶片中去執行後續動作，則須要把人類觸擊銀幕的指令用翻譯成IC晶片能理解的語言，IC晶片才能理解並執行，程式被按照某種指令集的規範翻譯為IC晶片可識別的底層程式碼的過程叫做編譯（compile）。

指令集又可分成兩種種類：分別為CISC(複雜指令集)和RISC(精簡指令集)

我的理解是可以把CISC(複雜指令集)看成多功指令集，也就是藉由一行指令來完成很多種功能，而不需要鉅細靡遺的寫出每一項功能的程式碼。舉例來說，工程師把走路、吃飯、睡覺等動作都寫進一行程式碼，當要執行其中一個動作的時候，CPU會先透過(程式計數器)去讀取這一行指令碼，然後開始解碼分析到底是要執行哪一個指令，最後依照讀取出來的指令動作

而RISC(精簡指令集)則是另外一種概念，RISC可視為單功指令集，也就是走路、吃飯、睡覺…等各項動作，都分別用一組指令，當要執行其中一個動作的時候，CPU一樣透過其它硬體(程式計數器)去讀取特定指令碼，解碼後動作

兩種指令集各自的代表作分別是Intel的x86指令集(CISC)跟ARM的ARM指令集(RISC)，採用CISC(複雜指令集)的優點是工程師不用寫一堆程式，用一行程式就包掉很多功能，但壞處是每一行指令的長度不一，比較難進行最佳化，另外就是指令包括的動作越多，進行翻譯的處理器就越複雜，也造成功耗消耗較大

RISC雖然把動作拆得很細，要寫很多程式碼(爆掉很多副肝)，但每一條程式碼的長度基本上固定而且功能單一，處理器在解碼的時候相對容易，不用每次都要解一長串程式碼(e.g.我只要喝杯水，但用CISC程式寫的話，可能喝水的那一串程式碼中還包括爬山、游泳、慢跑之類的功能，處理器要先把這一串打開然後找到喝水的動作，頗為麻煩，而且也不需要常常執行爬山、游泳、慢跑這些動作)，如果要進行複雜動作，RISC可以把一串短程式碼組合成一串長程式碼來進行，但RISC的缺點就是程式數量總和很多很長，佔用更多的記憶體空間

需要注意的是，開發CISC跟RISC指令集的廠商，並不是只有Intel和Arm兩個玩家，還有很多IP公司也都有開發自己的指令集，比如說RISC架構有 MIPS、SPARC、PowerPC以及RISC-V等種類的指令集

二、微架構

有了指令集，接下來就可以講微架構，什麼是微架構?

個人的理解是，微架構的優劣就是看誰的能夠架設出一套能讓IC晶片用最快速度、最低耗能處理指令的通道。而微架構又是以指令集做為依據開發出來的，因此微架構又可稱為指令集架構。

這個通道的設計，就是IC Design 公司的立身之本，以手機的晶片為例，CPU執行的流程是(1)從記憶體位置擷取資料(2)翻譯資料(3)執行翻譯後的資料(4)存到記憶體中(5)寫到暫存器，但如果每次要解一個指令，都要乖乖排隊等流程，那速度就太慢了，但如果一次塞太多指令進去，就是塞車回堵，資料還是跑不出來GG

而要讓程序執行的快一點最簡單的方式：

多造幾條路(管線) ，讓一堆指令集可以同時往前走
拉高時脈(也就是提高每秒的訊號頻率)，讓每一個指令集運算跑快一點

先講方法1，聰明的工程師們設計了多管線架構，這稱為指令管線化，也就是只有一條獨木橋不夠走，我可以搭兩條橋，如下圖

這張圖的縱軸是指令集、橫軸是時脈(姑且稱之為執行時間)，縱軸1~5就是通道編號，我們可以看到指令集按照順序被丟進一個又一個的通道去執行，雖然每一個時間點也只有擷取一個指令集去執行，但是至少下一個指令集不用排隊等前一個跑完才進去跑

但只做到這樣就夠了嗎?還不夠，偉大的工程師們又絞盡腦汁研發，希望能讓程式跑得更快，比如說盡量讓彼此不相干的資料同步處理(因為都不需要等彼此的結果)、或是預判說哪個通道的結果會比較快跑完，趕緊把下一個指令集塞到那個通道裡之類的，盡可能的讓指令可以偷跑、先跑，加速執行完運算結果，這牽涉到邏輯順序的問題

而方法2俗稱超頻，也就是加速訊號從0到1或者從1到0的轉換，讓CPU加速運算，但是每一顆CPU還是有極限，無法無限制的超頻，不然一個訊號還沒算完，下一個訊號又衝過來，就會產生錯誤。另外就是電晶體在處理轉換訊號時會產生熱能，如果不能及時散熱，CPU就會被燒壞。

而為什麼電腦的CPU大多採用Intel的x86架構，而手機的CPU大多採用ARM架構，有興趣的朋友可以參考這一篇文章：看ARM如何搶走英特爾的x86市場 — CPU市場上的逆襲！

對於為何ARM稱霸手機市場，簡單來說大概就是網路效應所製造的先進者優勢，ARM藉由iPhone打入手機CPU市場，後來又搭上Android體系，這兩大作業系統平台都採用ARM指令集之後，其實比賽基本上就結束了

為什麼?因為正如我們所說的，指令集就是一套翻譯暗碼，等於是主流語言，後續所依附的微架構、硬體到最終的App程式設計，都是依照這一套主流語言來開發的。

那如果今天有一個SIP廠(矽智財廠)跑去跟Apple說，我現在開發出了一套新的指令集和微架構，功耗比ARM低、效能比ARM高，你要不要用我的架構看看，大家猜猜看蘋果會說什麼?

我猜大概就是我們很欣賞你們的架構，但基本上你們的產品要先經過代工廠驗證這樣的架構可行，另外就是我們的IOS系統、APP軟體是否跟你們架構相容，如果你們可以解決相容性問題我們再繼續談看看吧。

簡單來說，就是手機廠們的頭都已經洗下去了，在現有ARM架構穩定運行的狀況下，手機廠們不太可能貿然更換晶片架構，風險實在太高

當然，Apple從A6晶片開始，就只有單純取得ARM指令集的授權，微架構自己開發，這是一項壯舉，但也只有Apple這樣的品牌力能做到，Apple歷年來開發自己的晶片所需投入的資金量相當龐大，但歷代Apple晶片的效能也的確勝過市面上採用ARM標準微架構(Big. Little)的Android體系手機晶片，而為什麼蘋果養得起自己的晶片開發團隊，這就是蘋果迷們信仰所貢獻的資金了XD

而其他IC Design公司諸如高通、發哥等等，也大多是採用ARM標準微架構授權，高通比較厲害的地方是他們有辦法部分SOC採用自己開發的微架構，在一顆系統單晶片(SOC)中，CPU只是其中一部分，SOC還包含了GPU、DSP、ISP、Modem等其他硬體，而這些IC用的就不一定是ARM指令集，CPU大家基本上是站在同一個起跑線，但是其他硬體零件就看各家IC Design公司各自逞能，看誰能在最低功耗的狀況下達到最高效能(當然晶片體積大小也很重要)，詳細的部分就不是本篇文章討論的重點了