5、硬件设计与网络实现中的关键技术解析

硬件设计与网络实现中的关键技术解析

1. 硬件设计基础

在硬件设计中，有两种不同的设计方案值得关注。第一种设计（Design 1）可直接使用 N 个与门（AND gates）来实现，每个输出位对应一个与门，这些与门的输入数量范围从 1 到 N。由于 N 输入与门需要 O(N) 个晶体管，所以 Design 1 总共需要 O(N²) 个晶体管，但看起来仅需 O(1) 时间。

第二种设计（Design 2）更节省面积。每个输出位 O[j] 需要对前 j - 1 个输入位的补码进行与运算。我们定义部分结果 P[j] = I[1] … I[j - 1]（j = 2 … N），显然 O[j] = I[j]P[j]。而 P[j] 可以通过递归方程 P[j] = P[j - 1]I[j] 来构建，这可以用 N 个串联的二输入与门来实现。Design 2 需要 O(N) 个晶体管，但需要 O(N) 时间。

Design 1 速度快但占用面积大，Design 2 速度慢但占用面积小，这是常见的时间 - 空间权衡。我们可以通过一种方法在两者之间取得平衡，即使用全平衡的二输入与门二叉树来计算 P[N]，树的高度为 log N。通过简单的组合方式，利用这个二叉树可以得到所有 j < N 的 P[j]。这种方法被称为进位前瞻（carry look - ahead）或前瞻（look - ahead），它利用分治法，即使是软件设计师也能掌握。

2. 提升硬件设计的抽象层次

在网络芯片设计中，手动设计数百万个晶体管是非常耗时的。硬件设计师可以像软件设计师复用代码一样，复用常见的功能模块。常见的计算模块包括加法器、乘法器、比较器和优先编码器等，此外，设计中还会用到