集成电路技术市场化后很快就在规模经济的推动下，沿着摩尔定律的预测稳步发展，并先后经历了20世纪50年代末的数十个晶体管的小规模集成（Small Scale Integration，SSI），60年代末的几百个晶体管的中规模集成（Medium Scale Integration，MSI）和70年代中期的上万个晶体管的大规模集成三个阶段（Large Scale Integration，LSI）。在每一个阶段工程师们都绞尽脑汁要在同样面积的硅片上塞进更多的晶体管，因为只有这样，才能在保持成本的前提下，获得更强的运算能力。这一驱动力使得单个晶体管的体积越来越小，对无尘的生产环境和生产工艺的要求也越来越高。随着越来越多的电路组成部分被集成到一起，芯片面积逐渐增大。芯片面积的增大一方面使得每一个硅晶圆上的芯片总产量降低，另一方面，因为设计的复杂度增加，生产过程中产生废品的概率也大大提高。这两个方面的因素使得每一个芯片生产商都要在芯片的生产成本方面进行周密的平衡和优化。

20世纪70年代后期集成电路技术开始从大规模集成电路技术向超大规模集成电路（Very Large Scale Integration，VLSI）方向发展，设计步骤和生产工艺变得更加复杂，更重要的是随着集成度的增加，单片集成电路的设计指导思想也发生了变化。

早期集成电路的指导思想都是根据香农的逻辑代数理论发展出来的。设计集成电路像是解决逻辑数学题，设计人员关注的重点是如何利用逻辑电路门的搭配来实现所需要的逻辑结构，通过最少的晶体管的数量来实现所需要的逻辑结构成为设计优化的焦点。后来随着晶体管成本的直线下降，集成电路的成本分配发生了重要变化。过去被设计人员忽略的连接不同逻辑电路门的线路成本以及线路的通信成本逐渐超过晶体管的成本，成为集成电路进一步发展的瓶颈，为了节省几个晶体管而多布几条线路的设计思想逐渐成为超大规模集成电路设计的包袱。因为这样做反而会提高整个集成电路的生产成本，降低使用效率。反过来，通过增加晶体管数量来减少过多连接线路的设计思路成为新的指导思想。最早提出这一新思路的是加州理工大学的明星教授卡弗·米德（Carver Mead）[³⁰]。

米德是计算机和电子商务发展历史上与摩尔比肩的一个传奇人物。他和他的系主任，曾经接替立克里德在国防部高级计划署担任信息处理办公室主任的伊凡·萨瑟兰（IvanSutherland）两人共同创立了加州理工大学的计算机系^[5]，为20世纪80年代的硅谷培养了一大批年轻的企业家和计算机工程师。在理论方面，他是第一个预测百万晶体管集成电路会出现的人。另外，结合自己的物理背景，他从60年代开始就对微电子领域的发展趋势在纳米尺度内进行了研究，提出了晶体管体积大小的物理极限。是他在1970年最先用“摩尔定律”这个词来描述摩尔在1965年提出的集成电路的集成度每一两年翻一番的规律。在实践方面，他第一个制造出了MOS场效应管，并长期担任英特尔公司的顾问。不过他对集成电路的发展最重要的影响是他和另一个计算机领域的传奇人物康维所领导的米康革新（Mead-Conway Revolution）。

米德改变集成电路设计思想的思路或许是受到当时软件学术界某一思想的启发，这就是计算机算法先驱荷兰计算机算法学家埃德斯加·狄克斯特拉（Edsger Dijkstra）在20世纪60年代中期所提出的“结构化编程”（Structured Programming）思想[³¹]。早期软件编程因为受到昂贵的内存限制，注重的是如何节省内存空间，于是在程序中有不少无条件跳转（GoTo）命令，这也是机器语言和汇编语言在高级语言中的遗痕。使用无条件跳转命令可以节省很多其他的程序指令，但是需要程序员很好地跟踪每一次跳转所带来的程序逻辑变化，稍有不慎就有可能造成程序的漏洞，而且也为后来程序的修改和维护造成了一定的困难。狄克斯特拉把充满无条件跳转命令的源程序代码比喻成一团意大利通心粉，来形容源代码的杂乱无章。狄克斯特拉的改进想法是将程序结构化，也就是不再使用无条件跳转命令，而是通过标准化的主程序对子程序的调用实现逻辑和任务转换。这样虽然需要占用更多的内存和计算时间，但是为更复杂的大型软件工程编程以及自动化编程提供了新的发展动力和空间。60年代中后期随着计算机内存价格的降低和运算速度的不断提高以及各种高级的编程语言的纷纷出现，他的想法成为一种共识。70年代初狄克斯特拉和爱尔兰算法学家托尼·霍尔（Tony Hoare）以及面向对象编程的先驱挪威的奥利-约翰·达尔（Ole-Johan Dahl）三人合著的《结构化编程》一书成为流行一时的软件编程经典[³²]。

注意到了计算机的内存和计算速度引起的结构化编程思想的米德不难发现，20世纪70年代中期集成电路设计也面临着类似的变革压力。60年代开始的内存和软件之间的成本关系演变就如同70年代开始的晶体管和连接它们的线路之间的成本关系演变。既然随着软件复杂度的增加，软件的设计理念可以通过内存的成本降低而从精打细算变为结构化和自动化，那么集成电路的设计也可以遵循同样的思路，通过利用更多数量的晶体管来减少布线设计，从而降低设计复杂度以及成本，最终实现电子设计的自动化（Electronic Design Automation，EDA）。

米德的这一思路和萨瑟兰不谋而合，而萨瑟兰的哥哥波特·萨瑟兰（Bert Sutherland）正好在施乐公司的帕洛阿尔托研究中心担任计算机科学研究部的主任。于是在弟弟的介绍下，米德在帕洛阿尔托研究中心将他的思路与其他研究人员进行了分享，并获得了该中心的计算机专家琳·康维（Lynn Conway）的认同。

康维是计算机界的另一个传奇人物。1938年在纽约州出生的康维出生时是男性，并且从小就展现出数理方面的天才，但是一直有性别错位感的他认为自己应该是女人。1955年在麻省理工学院上大学时，他曾经想做变性手术，却因为当时的社会环境还难以接受她的这种做法，没能做成，后来因为精神压力过大而退了学。退学后他做了几年电子工程师，最终于20世纪60年代初在哥伦比亚大学获得了学士和硕士学位。从哥伦比亚大学毕业后康维在1964年通过他的导师的推荐被IBM招入麾下，从事当时IBM的保密项目——世界上最先进的ACS-1大型机的研制工作。在此期间，他因为研究成果卓著发明了后来被广泛应用于芯片设计的动态指令调用（Dynamic Instruction Scheduling）而很快成为IBM的技术新星。与此同时，他还结了婚并有了两个孩子。1968年，当她从媒体得知一位医生可以为人做变性手术后毅然决然地进行了变性手术。但是当时的社会氛围仍然很难接受他的选择，这一举动触犯了IBM的高层，结果他被立即解雇。手术后他不得不改名换姓来到加州，以新的身份从头开始。在旧金山湾区做了一段时间的合同程序员后，他在1971年被当时生产计算机存储磁带和磁盘的创新公司美瑞斯（Memorex）雇佣为系统程序员。进入公司后不久，恰逢美瑞斯准备推出自己的计算机，于是他毛遂自荐，凭借着在IBM设计处理器的经验，用了半年时间，就成功地为美瑞斯的MRX30计算机系统设计了中央处理器。但是美瑞斯不久就退出了计算机整机销售产业。失望之余康维通过猎头公司的介绍在1972年跳槽到了当时正在领导个人计算机设计新潮流的施乐公司帕洛阿尔托研究中心。

米德的关于集成电路新设计思想的演讲触动了康维。在萨瑟兰兄弟两人的组织下，加州理工大学和施乐帕洛阿尔托研究中心分别成立了超大规模集成电路设计革新的攻关小组。米德和康维分别加入了两边的小组并将各自在集成电路和计算机架构方面的经验介绍给其他成员。通过一段时间的相互学习，两边的小组成员很快就进入到了集成电路设计技术领域的前沿。

不久，米德那边设计出了专门用于集成电路设计的布局软件（ICL\ICLIC）和存储布局的文件标准格式（Caltech Intermediate Form，CIF），而康维那边则设计出了基于施乐个人计算机Alto的集成电路设计辅助软件ICARUS。他们用自己的文件格式和设计软件开始摸索新的集成电路设计方法。在研发期间，他们按设计进行实际样品生产时遇到了很多困难。这是因为当时的晶片制造都是在像英特尔这样的半导体公司内部进行。从电路设计规则，到母模定位标记，再到芯片生产出来后的切割线，每一个公司的晶片制造流程都有自己的一套标准，这些标准各不相同。即便一家半导体公司愿意为米德他们制造一种芯片样品，米德他们也需要在设计和制模过程中遵循该公司的标准，才有可能利用该公司的晶片制造流程来生产出自己需要的样品。而一旦转为另一个公司生产的话，这一切又都需要改变。尽管如此，他们的研究工作在1976年取得了很大进展，并很快进入到了他们研究的核心问题，这就是如何发明一种新的集成电路设计方法来提高设计效率和降低设计复杂度。(www.daowen.com)

经过几个月的紧张研究，1977年上半年康维产生了灵感，取得了突破性进展。他意识到要想让设计规则简单化并且无量纲可扩展，需要设立一套不同部件之间的尺寸搭配比例，而不是各种部件本身的绝对尺寸。这样无论未来的集成度是多少，只要按照比例设计和扩展就可以了。新的设计方法不但简化了设计规则，而且使得集成电路的设计实现了结构化。很多提供基本功能的逻辑电路设计一旦实现后，可以存放在部件库中，直接添加到新的电路设计上。因为新规则的简单易行，电路设计和测试软件可以将规则编制到程序中，实现设计和测试的自动化，也就是电子设计自动化（Electronic Design Automation）。米德众人对康维的这一创新赞叹不已。米德根据当时流行的结构化编程给康维的新设计方法起名为“结构化设计”。

为了尽快将他们的研究成果和新的设计方法以系统的方式传播出去，康维建议编写一本书来介绍他们的新方法和新技术。这一建议得到了众人的支持。于是大家分头行动，康维负责书的编写，其他人员负责准备设计案例、编写设计软件的使用手册等工作。米德被列为书的第一作者，以便利用他在学术和企业界的声望吸引更多人的注意。1978年2月新书基本成型，并且被华盛顿大学和卡内基梅隆大学作为新学期的教材使用。而米德和康维他们也在为新方法的传播寻找一个突破口。恰好这时波特·萨瑟兰加入了麻省理工学院电子工程和计算机系的顾问委员会，于是在萨瑟兰的介绍和鼓励下，1978年秋天康维以麻省理工学院访问副教授的名义，使用他们编写的新书给麻省理工学院的学生以授课的形式讲授了超大规模集成电路的新设计方法。在准备课程的过程中，通过萨瑟兰的支持，康维雇用了两个实习助手，协助她进一步优化了从芯片设计、制模到多种设计合并到一片硅晶圆上制造的整个流程。

康维悉心准备的课程在麻省理工学院受到了师生的热情参与。除了32名学生外还有9名教授也旁听了课程。到学期期末学生和老师根据康维的新方法一共设计了19个集成电路项目，其中包括图像处理器、LISP处理器等。1978年12月6日这些设计被康维通过阿帕网传到了施乐帕洛阿尔托中心。在那里通过他的助手的帮助，这些项目被合并到一个大的多项目芯片（Multi-Project Chips，MPCs）设计文件上并制模，然后通过附近惠普公司的集成电路处理实验室生产出来，并在1979年1月18日被寄回了麻省理工学院。尽管当时的辅助设计软件还很原始，这些学生和老师也是第一次设计，由于新方法的简单易用，绝大多数芯片能够成功运行，没有出现任何错误。

康维在麻省理工学院的成功教学实验很快通过阿帕网传播开，包括加州理工学院、加州大学伯克利分校、斯坦福大学在内的12所高校对新方法表示了兴趣，希望在秋季能够提供类似的课程。于是康维他们在1979年春天将主要课程内容制作成了录像带，然后在夏天通过录像带授课的方式在帕洛阿尔托对各个大学的教员进行了短期培训。1979年夏天，米德在华盛顿大学也讲授了类似的课程。

因为康维坚持学生在上完课后，必须动手设计一个集成电路，否则无法真正掌握这一新的方法，所以随着加入到新方法教学的大学的增多，如何将学生们设计的集成电路及时制造出来成为新的难题。一方面最初为学生设计的芯片提供成品的惠普公司对这种小批量的外来芯片设计的制造并不想投入更多的资源，另一方面，转给不同的公司来生产这些芯片意味着需要对设计标准进行各种前面提到的格式转换，这也是一个不必要的麻烦。米德不久想出了一个对策，他利用自己在硅谷的关系网络四处活动，鼓励当时具备生产晶片能力的公司为外面的设计提供专门的代工服务，而这些代工服务遵循统一的设计规格和标准。他将这一服务起名为“晶圆代工”（Foundry）。尽管米德的名声很快吸引了一批公司的关注，很多人还是对这一方式表示了怀疑^[6]。不过晶圆代工作为一个新兴产业开始慢慢发展起来。曾经在得州仪器担任高管的半导体技术专家张忠谋在1985年应邀回台湾创立了晶圆代工公司台积电（TSMC）。该公司在十几年后发展成为全球最大的晶圆代工企业。

除了芯片的制造之外，还有一个设计文件的提交、合并以及传递的协调问题。当参与的学校增多后，康维他们显然无法继续用手工的方式来协调这一从设计到生产的流程。于是康维开始研究如何能尽量将设计方案的传送、合并以及生产通过计算机自动化进行。不久，他提出设计一个基于阿帕网的信息和文件自动处理系统，利用这个系统，各个大学可以通过阿帕网将设计文件传送到帕洛阿尔托的服务器，服务器可以自动进行设计校验，然后将大小不同的设计好的单片合并到一起来制模并生产出来。康维的想法再次得到了她的顶头上司萨瑟兰的支持。于是康维的小组的两位同事用了1979年整个夏天的时间开发了MPC79系统软件，然后康维通过阿帕网将该系统运行的通知发送到了每一个参与的大学。这样秋季开始选修这门课的大学学生在课堂上设计的不同芯片设计方案通过阿帕网和康维他们设计的MPC79系统进行自动校正、合并后便可传递到晶圆代工工厂进行生产，实现了整个流程的自动化。该系统后来通过计划署的VLSI项目支持在1981年被移植到南加州大学的信息技术研究所，成为MOSIS系统。MOSIS系统为全美的大学和科研机构设计的实验性集成电路提供生产服务，成为美国第一个晶圆代工机构。MOSIS也是一直延续至今的互联网早期出现的主要服务项目之一。

麻省理工学院的教学实践和后来新方法的成功推广让米德和康维（见图3-3）验证了他们新设计体系的有效性。1980年他们根据讲义出版了《超大规模集成电路系统导论》（Introduction to VLSI Systems）一书。该书一出版便成为这一领域最流行的教材，在短短三年时间里就被100多所高校采用。

图3-3 米德和康维1981年获得“《电子》杂志年度成就奖”与他们学生设计的芯片（右下）