CPU设计-常见问题解答

I  am  honored  to  write  the  foreword  for  Chandra  Thimmannagari’s  book  on  CPU design.  Chandra’s  book  provides  a  practical  overview  of  Microprocessor  and  high end  ASIC  design  as  practiced  today.  It  is  a  valuable  addition  to  the  literature  on  CPU design,  and  is  made  possible  by  Chandra’s  unique  combination  of  extensive  hands-on CPU  design  experience  at  companies  such  as  AMD  and  Sun  Microsystems  and  a passion  for  writing. Technical  books  related  to  CPU  design  are  almost  always  written  by  researchers  in academia  or  industry  and  tend  to  pick  one  area,  CPU  architecture/Bus  architecture/ CMOS  design  that  is  the  area  of  expertise  of  the  author,  and  present  that  in  great detail.  Such  books  are  of  great  value  to  students  and  practitioners  in  that  area. However,  engineers  working  on  CPU  design  need  to  develop  an  understanding  of areas  outside  their  own  to  be  effective.  CPU  design  is  a  multi  dimensional  problem and  one  dimensional  optimization  is  often  counterproductive. For  instance,  as  someone  who  mainly  does  CPU  architecture,  I  have  found  that  CPU architects  who  understand  how  logic  design,  circuit  design  and  chip  integration  are really  done  in  practice  do  a  much  better  job  architecting  the  chip.  There  are constraints  in  these  different  areas  that  could  make  an  architectural  idea  hard  to implement,  and  an  architect  who  understands  these  constraints  is  more  likely  to  make the  right  decisions  upfront.  However,  there  are  really  no  books  out  there  to  help  an architect  understand  quickly  how  the  later  stages  of  chip  design  work.  Reading detailed  technical  books  on  physical  design  to  obtain  this  knowledge  is  typically  not an  option  given  time  constraints.  The  most  accessible  way  today  to  learn  the  broader skill  set  necessary  is  from  chatting  with  friends  and  picking  up  bits  of  knowledge here  and  there.  Over  time  the  good  ones  do  develop  a  working  knowledge  of  all  areas of  CPU  design,  but  it  takes  many  years. The  same  goes  for  circuit  designers  who  want  to  understand  architecture.  I  have  had several  circuit  engineers  come  to  me  wanting  to  know  more  about  architecture.  I answer  questions  as  time  permits  and  suggest  they  read  “Hennessy  and  Patterson”.  Ithelps,  but  goes  only  so  far  even  though  H&P  is  a  really  well  written  book.  There  is just  too  much  detail,  and  it  is  hard  to  filter  out  what  is  relevant. In  a  way  Chandra’s  book  is  structured  as  a  chat  with  a  knowledgeable  friend  with much  time  to  spare.  So  we  could  imagine  a  circuit  designer  who  is  working  on  a cache,  and  has  a  design  problem  -  for  instance,  the  replacement  algorithm  he  is  trying to  implement  is  not  making  timing.  He  will  have  to  discuss  this  with  the  logic  owner or  architect,  but  it  will  help  if  he  has  an  understanding  of  the  architectural  options available  and  any  potential  circuit  issues  with  those  options  prior  to  the  discussion. He  could  look  up  this  book  and  starting  with  the  first  question  on  caches  (Q5  in Architecture:  What  is  cache  memory  in  a  CPU  and  what  are  the  most  common  terms associated  with  caches?)  work  through  replacement  policy  related  questions  (Q10  to Q15  in  Architecture)  to  develop  an  understanding  of  the  options  available.  Or imagine  an  architect  who  is  told  that  the  particular  idea  she  has  in  mind  cannot  be implemented  owing  to  routing  density  issues  related  to  noise.  She  could  look  up  the relevant  question  in  the  book  (Q6  in  Circuits  and  Layout:  What  do  you  mean  by effect  of  noise  in  a  design  and  what  are  the  most  common  techniques  used  to  reduce its  effect?)  to  develop  a  quick  understanding  of  noise  issues  as  well  as  possible solutions  and  work  with  designers  to  find  a  way  to  implement  her  idea. The  book  also  provides  excellent  lists  of  techniques  in  the  experienced  logic/circuit designer’s  toolbox  to  attack  a  problem.  For  instance,  a  logic  designer  who  is  trying  to figure  out  how  to  make  timing  for  a  block  could  go  straight  to  Q4  in  the  Logic chapter  and  look  at  the  list  of  suggestions  there  for  fixing  timing  paths  and  start making  headway.  Or  a  designer  who  is  trying  to  reduce  power  for  a  block  or  a  chip could  go  to  Q6  in  the  Logic  chapter  and  look  at  the  list  of  suggestions  there  for reducing  power.  Or  a  circuit  designer  who  is  trying  to  fix  noise  problems  could  go  to Q6  in  the  Circuits  and  Layout  chapter.  Or  a  manager  who  wants  to  learn  about  design tools  available  for  a  particular  task  could  go  to  the  relevant  question  in  the  Tools chapter. The  book  also  includes  good,  concise  descriptions  of  many  thorny  issues  in  CPU design  such  as  RAS,  electromigration,  IR  drop,  pass  gate  muxes  and  mintime  fixes. I  believe  the  book  will  be  a  valuable  addition  to  any  CPU  designer’s  library.