计算机如何计算1+1=2

2026-04-17 16:00 来源：傅里叶的猫半导体 18 次阅读

摘要：在计算机中，CPU作为中央处理器，内部包含了算术逻辑单元，可以实现数学运算。要计算1+1=2，就需要从微架构级、逻辑门级、晶体管级、物理级等方面进行分析。从微架构级，加法运算会使用加法器或者半加法器；半加法器的门级电路如下：我们知道，芯片内部都是由无数个晶体管组成的，晶体管实现与门比较容易，但实现异或门就会稍复杂，上面的异或门可以使用两个与门和一个或门来构建当然，我们还可以用其他方式来

在计算机中，CPU作为中央处理器，内部包含了算术逻辑单元，可以实现数学运算。要计算1+1=2，就需要从微架构级、逻辑门级、晶体管级、物理级等方面进行分析。

从微架构级，加法运算会使用加法器或者半加法器；

半加法器的门级电路如下：

我们知道，芯片内部都是由无数个晶体管组成的，晶体管实现与门比较容易，但实现异或门就会稍复杂，上面的异或门可以使用两个与门和一个或门来构建

当然，我们还可以用其他方式来搭建异或门，比如：

而与非门可以使用直接使用CMOS晶体管搭建，一个与非门需要两个PMOS和两个NMOS：

所以，使用CMOS搭建半加法器的原理图如下：

这就是芯片里面实现1+1=2的过程，当然，我这里写的非常的粗糙，在知乎大V--温戈的新书《了不起的芯片》中，有更详细的解释，而且包含各种大家常见但却没有深究过的问题，比如：

CPU是如何识别代码的？
三分天下的指令集都有哪些？
芯片中的5ns、3ns到底指什么？
中国芯片产业的布局
如何成为芯片工程师

这是一本目前内容最全的芯片科普读物，无论是小白、还是芯片从业者，都有必要读一下，肯定会有不一样的收货。

为什么要写出这样一本书，温戈给出了下面的答案。

为什么要写这本书？

这是一个人人都在谈论芯片的时代。

作为一名芯片行业的从业者，我亲身经历了国内半导体2016~2023年发展的浪潮。

2016年行业开始暗流涌动。
2018~2020年芯片行业发展步入快车道。
2021~2022年到达巅峰。
2023年开始逐渐回归理性。

这期间，很多工程师迎来职业生涯的重大转折，他们日复一日地努力学习、认真工作，多年的等待终于迎来了机会。一家家公司拔地而起、一笔笔风投激流勇注，整个行业繁忙如梭。

“光刻机”“跳槽”“流片”“制裁”......一时间，芯片这个曾经默默无闻的小众行业，一跃成为了科技领域最为耀眼的名词之一。

与此同时，芯片也成了媒体的宠儿，各种与芯片相关的新闻如雪花般纷飞，刺激着每一个人的神经。芯片也成了每一个人茶余饭后的谈资。

市面上关于芯片的图书不算多，且主要分为两大类：

基于此背景，我更希望有一本书，能向读者更全面、更深入地介绍芯片，更直观地展示这个行业，以独特的视角带领读者漫步芯片波谲云诡的发展史、理解芯片的运作机理、了解中国的芯片产业，更重要的是让大家知道如何进入这个行业，站在“半导体巨人”的肩膀上，博浪前行......

我是一名芯片设计工程师，也是一名科普作者。我从小就有一个作家梦，我不仅喜欢写作，更喜欢文字的厚重感和力量感，所以“写作一本芯片相关的书籍”的想法早已在我心底生根发芽，《了不起的芯片》的出版也成为了时间长河中的必然。

未来的竞争是科技的竞争，更准确地说，是芯片的竞争。芯片的进步不仅仅是科学家和工程师的责任，也是每一个普通人的责任。当我们每个人都意识到，芯片和生活有多么息息相关的时候，也许就意味着国产芯片全面崛起时代的到来了。

书中写了什么内容？

本书的定位是芯片科普图书，部分章节中带有一些具有专业性的内容。尽管如此，零基础的读者也不用担心太深奥、看不懂。我在写作的过程中，尽量把知识点抽丝剥茧，并且在作者视角与读者视角之间不断切换，力求让每一位读者不仅能读懂，还能有更深层次的获得感。

全书分为四篇，共计10章。

第0章绪论

本章开篇点题，主要从细节处彰显芯片为什么被称为“科技的巅峰”，讲述“了不起的芯片”是如何改变我们生活的，从日常生活场景出发，强调人与芯片的联结。事实上，以前我们买手机、买电脑要看芯片，现在买汽车、买家电也要看芯片。读完此章，相信在你的生活中，“芯片”这个词会被赋予新的意义。

第一篇芯片的前世今生

第1章主要介绍半导体发展的历史，相比枯燥的叙述历史，本章更注重阅读过程中的体验，强调互动感与探秘性。比如“为什么半导体适合做芯片”“摩尔定律真的是定律吗？”“半导体产业没有夕阳”等章节，会让你对不以为意的名词有新的认识。书中还有佐以大量的史料，辅助阅读，比如“东芝事件”和“IBM商业间谍事件”等。
第2章主要科普三大指令集（x86、ARM和RISC-V）。或许是《三国演义》的故事过于深入人心，以至于凡是形成三足鼎立的局面，总是有荡气回肠的故事发生，且让人听起来热血沸腾。这一章，我们将走进三大指令集的武林世界，揭开指令集这一抽象概念的神秘面纱。

第二篇一颗芯片的诞生

本篇包含三章节，聚焦三部分内容——设计、制造和封测。详细介绍每一个环节及流程，并深入科普了芯片及计算机的运作机理、人工智能是如何运用于芯片设计的、CPU为什么很少损坏、芯片是如何做出厂测试的、花样百出的芯片封装等。

第三篇中国的“芯”路历程

本篇分为两个章节，主要讲述国内的半导体学科及产业的发展历史、半导体行业中了不起的人物、国内半导体产业布局，以及逐浪而行的芯片公司。

第四篇携手共创“芯”未来

本篇分为两个章节：

第8章展示芯片工程师群体的工作日常，以及成为一名芯片工程师所需掌握的知识体系、工匠精神、学习工作心得等。同时，本章还介绍了职业发展方向，为即将进入芯片行业及初入职场的读者提供参考。
第9章主要介绍芯片的前沿发展方向，并展望芯片的未来。

本书特色

这本书的特色可以用几个关键词来描述：深度科普与启发、工程师专业视角、轻松有趣易懂。

▊ 深度科普与启发

笔者崇尚深度思考的人生准则，要深挖事物的机理，这样才能看到不一样的风景。浅尝辄止是对时间的浪费，还不如去享受大好的春光。

针对行业内诸多重要的历史节点、历史现象、公司的发展、技术的更迭、工程师的职场进阶发展等，我在书中给出了一些具有深度的个人思考，力求抛砖引玉，给读者带来有意义的启发。

如3.6节“计算机如何计算1+1=2”中，针对这一我们不曾留意的“简单问题”，从芯片的微架构级、逻辑门级、晶体管级、基础物理级方面进行分析，层层拆解，构建逻辑电路，帮助读者重构这一概念，透视简单计算的背后，微观世界到底发生了什么。

▊ 工程师专业视角

笔者崇尚工匠精神，做事便要做到极致。正如书中在8.3节“芯片行业的工匠精神”中所说，踏实专注、钻研技艺的精神内核，是每一个芯片工程师必备的品质。本书第8章介绍了工程师如何在功耗、面积和性能之间做取舍，如何通过不同的手段打磨功耗，展示工程师要面对的难题。同时深入介绍了芯片工程师的日常、发展路线，以及深度工作和终身学习对芯片工程师的重要性。让每一位读者都有沉浸式的阅读体验，每个人都是“芯片工程师”。

本章看似介绍芯片工程师这一职业，事实上很多职业理念也适用于其他行业，希望这部分内容能引起大家的共鸣，并带来启发。

▊ 轻松有趣易懂

笔者希望将本书传达给每一个热爱阅读的人，本书在行文过程中注重文字的表达，同时部分章节跳出理工科的严肃，如1.5节“摩尔定律：真的是定律吗”带读者重新解读耳熟能祥的名词，3.11节“芯片设计中的艺术”，希望带领读者从艺术的角度来审视芯片。全书配图丰富，无论是中小学生，还是各行各业的人士、甚至对芯片有一定的了解和基础的专业人士，都非常适合将本书作为课外或者枕边的读物。

写书是一种什么体验？

作家舒明月曾说过：“有苦乐而难诉诸文字，心中欢腾喧嚣笔下却一片死寂，该有多么的憋屈。”

作为一种优雅的表达方式，写作是一件门槛极低、上限极高的事情。

对我来说，写作的过程是学习的过程，是梳理思维的过程，是成长的过程，更是与自己灵魂对话的过程。

写书是一项大工程，打磨大纲、雕琢语句、推敲字词、查阅资料、反复绘图……每一项都是写书必须要跨越的鸿沟。

大纲是一本书的起点，也决定了写作方向。

最初在规划大纲时我遇到了不小的阻碍，比如内容空洞、枯燥，无法引起读者的兴趣等。大纲中的每一条内容都是自己向未来许下的诺言，一旦完不成，那么将失信于自己。

在写作“早期的国内半导体产业”部分时，我查阅了很多历史资料，对史实进行多方面考证，比如买了一些颇有年代感的旧书、拜托同学帮忙在学校图书馆搜寻资料等。

写作“芯片制造”部分也颇为困难，因为我本身缺乏芯片制造经验，所以只能厚着脸皮找工艺工程师讨论，在与他们交谈的过程中发现每个人的观点和说法因自身经历而相同，我只好再次通过查阅书籍来印证，最后再找资深工程师帮忙审稿，确认内容万无一失。

写书的过程还提高了我绘图的能力。最初写书时，由于缺乏经验，导致图片管理混乱，对绘图软件缺乏使用技巧，导致绘图占用了大量的时间。甚至为了绘制一张图片，要花上不止1个小时的时间。随着写书进入后半段，我总结了很多绘图经验，对画图软件的使用也愈发熟练，画图效率成倍提升，最终自己又学会了一项新技能。

写书过程中对内容的反复修改，也锻炼了我的耐心与毅力。看着编辑满满的批注，虽然我多次冒出放弃的想法：“我要崩溃了！”“这本书我是不可能完成的！”“我为什么想不开要写书！”但每每想到写书是一件及其有价值的事情，我就感到遇到的任何艰难险阻都不值一提。

通过写这本书，我越发感觉到，写作的过程是学习的过程，查证与学习的经历让我心中那些模糊的知识变得愈发清晰！人一生中的高光时刻不多，对我来说，写出这本书就是我的高光时刻之一！