芯片设计真的很难？科普芯片基础知识，带你亲手设计一个芯片 _芯片

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、论文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：

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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：

文章插图

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：

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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：

文章插图

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 。