第305章 奠定理论基础（1/2）

简单休息一会，进入了第三议题，如何设计上万只晶体管？

夏先生亲自主持这个议题。

他展示了一张104计算机的布线图，那是一张巨大的图纸，上面密密麻麻画着逻辑门和连线，像一幅复杂的迷宫地图。

“手工画版图，我们最多能处理几十个晶体管。”夏培肃说，“当规模达到几百、几千、甚至上万时，必须靠数学方法和自动化工具。”

他在黑板上写下三个方向。

逻辑设计自动化，用布尔代数和卡诺图进行逻辑化简，但需要算法处理多变量问题。

布局问题，将逻辑门放置到芯片上，属于组合优化，可能要用到线性规划或启发式搜索。

布线问题，在避免短路和寄生效应的前提下连接所有门，是图论中的斯坦纳树问题。

“这些都是组合爆炸问题。”夏先生说，“没有多项式时间的最优解算法。我们必须寻找启发式方法，在合理时间内得到可接受的解。”

北大的程教授发言：“逻辑化简，我们可以借鉴quine-luskey算法，但需要改进以处理多输出函数。布局问题，或许可以借鉴力导向布局的思想——把逻辑门看作带电粒子，连线看作弹簧，通过模拟物理系统的平衡来寻找较优布局。”

清华的徐教授补充：“布线问题，可以转化为网络流问题。把布线区域网格化，每个网格边有容量限制，源点和汇点是需要连接的引脚，求最小代价的最大流。”

“但还要考虑时序。”高先生插话，“连线长度会影响信号延迟。我们的布线算法不仅要保证连通性，还要满足时序约束，关键路径的延迟不能超过时钟周期的70%。”

“这又变成一个带约束的优化问题。”陈教授再次轻声说道，“我们可以建立数学模型：目标函数是最小化总线长，约束条件包括连通性、无短路、布线层容量、时序要求等。然后设计分支定界或割平面算法来求解。”

这时，徐教授点名吕辰：“我听说，吕辰同志在哈工大调研时，针对djs-2计算机，设计了用二维打孔卡片作为计算机输入介质。”

他从公文包里翻出一张卡片的草图：“接到康教授的电话后，我这些天一直在想，这种二维编码的思想，能不能用在芯片设计上？我们把芯片划分成网格，每个网格可以放置一个逻辑门或一段连线。然后用类似的方法编码，不是用孔，而是用金属层、多晶硅层、扩散层的图案组合。”

夏先生眼睛一亮：“你是说，把芯片设计问题转化为二维图案的编码和优化问题？”

“对！”徐教授走到黑板前，快速画出一个网格示意图，“我们可以把芯片看作一个二维平面，划分成nxm的网格。每个网格的状态可以用几位二进制编码表示：比如001表示放置一个与非门，010表示放置一个或非门，100表示放置一个触发器......，连线也用类似的编码，表示水平金属线、垂直金属线、通孔等。”

高先生激动地站起来：“这个思路好！把复杂的几何布局问题，转化为离散的编码优化问题。数学上更容易处理！”

夏先生点头：“这个思路完全没问题，而且我建议分层设计。不同的工艺层，扩散层、多晶硅层、金属层，可以看作不同的二维平面。这些平面上的图案需要满足设计规则：比如最小间距、最小宽度、通孔对齐等。这些规则可以转化为编码的约束条件。”

陈先生迅速在稿纸上推演：“如果每个网格用k位二进制编码，那么整个芯片的状态就是一个nxmxk的三维二进制矩阵。设计规则转化为对这个矩阵的约束条件。优化目标是最小化面积、延迟、功耗等。这本质上是一个大规模组合优化问题......”

夏先生点名吕辰：“小吕，这个二维卡是你第一个提出来的，你来说说看。”

吕辰起身致谢道：“各位老师，其实关于这个二维卡，我觉得最大的借鉴思路是模块化。”

吕辰详细描述了在哈工大用硬纸卡打孔矩阵实现快速输入的过程，以及那张“迭代函数卡片”如何调用“余弦函数卡”完成复杂计算。

“妙啊！”程教授拍案叫绝，“这不只是输入方式的创新，更是一种‘可组合计算’的思想！一张卡片代表一个函数或一个数据集，多张卡片组合就能完成复杂任务。这种思想如果用在芯片设计上......”

“模块化设计！”高先生也赞叹道，“我们可以把常用的功能模块，比如加法器、乘法器、寄存器堆设计成标准的单元。设计芯片时，就像拼图一样组合这些单元。每个单元的内部版图是预先设计好的、经过验证的，我们只需要处理卡片之间的连线问题。”

夏先生点头：“小吕同志这个思路有价值！它不仅仅是一种设计方法，更是一种设计哲学，把复杂问题分解、标准化、再组合。”

“我建议，”夏先生说，“我们立即把这个思路纳入设计研究。第一阶段，先定义一套标准的‘逻辑门单元’库；第二阶段，开发能自动组合这些单元的布局算法；第三阶段，扩展到更复杂的功能模块。”

这个提议获得一致通过。

随后，决定成立“集成电路设计自动化研究小组”，由数学系、计算所和红星所共同组成。

第一阶段目标就是基于二维网格编码和标准单元库的思想，开发能处理百晶体管级布局布线的算法原型。

到了第四个议题，高先生走到右边的黑板前。

他在黑板上画出两个对比表格，复杂指令集（cisc）和简化指令集，细数了国际上先进研究优缺点。

“我们该走哪条路？”高先生问，“是追随西方的主流，还是探索简化指令集这条新路？”

会议室里再次陷入激烈辩论。

支持cisc的一方认为，科学计算程序需要复杂的浮点运算、向量操作，cisc指令集能提供更直接的支持；而且现有的编译器、程序设计经验都基于cisc。

支持简化指令集的一方反驳，复杂指令在编译器中很少被直接使用，编译器更倾向于用简单指令的组合；简化指令集的规整性让流水线设计变得简单，能极大提高主频；而且简化指令集对编译器的优化更友好。

程教授再次展示那份算题统计，“我们分析了104计算机上运行的科学计算程序，发现80%的时间都在执行20%的指令，主要是取数、存数、加法和乘法。”

吕辰提出了一个“常用功能固化”的思路，说道：“高先生，如果统计是对的，80%时间执行20%的指令，那我们为什么不优化这20%的指令，让它们极快，其余指令用软件子程序实现？常用函数做成专用模块，不常用的临时组合。”

高先生眼睛一亮，他兴奋地在黑板上写下一系列原则。

指令长度固定（如16位或32位），格式规整；只有加载\/存储指令可以访问内存，运算指令只操作寄存器；硬连线控制，不用微码；注重流水线设计，目标是一条指令一个周期。