Intel 386 标准单元中的非寻常电路：通透晶体管逻辑与面积延迟权衡

Intel 386 处理器作为 1985 年推出的 x86 架构 32 位芯片，内部集成了 28.5 万个晶体管，其设计复杂度远超前代。为了赶上进度，Intel 首次大规模采用标准单元（standard cell）逻辑设计。这种方法将基本逻辑门（如反相器、与非门）预先设计成固定高度的标准单元，由软件自动放置布线（place and route），极大提升了布局效率。但在 1.5μm CMOS 工艺下，标准单元库中出现了一些非寻常电路设计，特别是通透晶体管（pass-transistor）逻辑，用于构建巨型多路复用器（mux），以处理寄存器选择等复杂控制逻辑。

通透晶体管逻辑的核心优势与实现

通透晶体管逻辑本质上是使用 CMOS 开关（NMOS + PMOS 并联）作为传输门，直接将输入信号 “通透” 到输出，而非传统与 / 或门组合。这种设计在 386 的寄存器控制单元中尤为突出。寄存器选择需处理 30 个寄存器（含 32/16/8 位分割）、方向位翻转、微码指定等约 17 种情况，每路控制信号 7 位宽，总计三路（源 1、源 2、目的），复杂度极高。

传统静态 CMOS 与 / 或树 mux 会消耗大量面积和功耗，而通透晶体管 mux 只需串联多个传输门，并用反相器恢复信号强度。例如，一个 4 选 1 mux 可由 4 个传输门组成：每个门由互补 NMOS（拉低强）和 PMOS（拉高，但需双倍尺寸补偿弱势）构成，控制线一对（正 / 反相）。在 386 芯片显微镜下，这些单元呈行排列，暗条为晶体管区，轻色间隙为布线通道（routing channel）。

关键参数：

• 传输门尺寸：PMOS 宽度约 NMOS 2-3 倍（1.5μm 工艺 PMOS 迁移率低），确保上升 / 下降时延均衡。
• 信号恢复：每级 mux 后插入反相器对（inverter pair），阈值电压恢复至 Vdd/2，避免累积衰减。时延开销 ≈ 10-20% 比静态门，但面积节省 30-50%。
• 监控点：布线层（M1 垂直内部，M2 水平跨单元），via 密度 < 50% 以防拥塞。

这种设计体现了面积 - 延迟权衡：在面积紧张的 std cell 列中，通透逻辑密度高（单 mux 节省 10+ 静态门），但引入信号弱化风险，需严格控制级数 ≤4-6 级。

非寻常变体：“假反相器” 与错位晶体管

标准单元库中，反相器是最常见单元（百余个，多尺寸优化性能）。但逆向发现 9 个 “假反相器”：硅布局与真反相器相同（PMOS 上拉、NMOS 下拉），但多晶硅栅极间有微隙，输入独立（非短接）。实际为独立传输晶体管，扩展 mux 案例：NMOS 拉低、PMOS 拉高、或双关断（让上游 mux 通透）。

此外，一颗孤立 PMOS 晶体管位于列间路由通道，疑为手工 bug 修补：避免重跑数小时主 frame place-route，仅手动补线。

这些 hack 反映工程权衡：1.5μm 时代，动态布局成本高（IBM 主 frame），优先时程而非完美规则。

动态门电路与工艺权衡

虽未直接显式，通透 mux 隐含动态特性：预充电 / 评估相（类似 domino 逻辑），但 386 更偏半动态。文章提及控制逻辑中可能有预充电路（precharge），结合时钟避免浮空。1.5μm CMOS（双金属层：M1/M2 正交布线）下，面积优先：std cell 高度统一，便 Lego 式堆叠；但延迟敏感路径用手动 datapath（左上固块）。

面积 - 延迟 tradeoffs 参数清单：

1. 面积优化：通透 mux vs 静态：节省 40% 晶体管，std cell 利用率 >80%。
2. 延迟预算：单传输门 t_pd ≈ 0.5ns（5V，1.5μm），级联 4 级 <2ns；恢复反相器尺寸 x2 输入负载。
3. 功耗：动态漏电低，但峰值短路电流高；阈值工程：VT ≈0.8V 防亚阈值漏。
4. 风险缓解：
   • 信号完整性：阈值偏移 <0.2V，监控 charge sharing。
   • 时序收敛：STA 工具限 fanout=4，max stage=5。
   • 回滚：若密度不足，手动重布局高扇出路径。
5. 现代启示：FinFET 时代，pass logic 复苏于低功耗 AI 加速器；Sky130 PDK 可复现类似 mux，面积获益 25%。

工程落地 checklist

• 库构建：设计 5-8 尺寸传输门 + 恢复器，确保 DRC/LVS clean。
• P&R 验证：密度 >70%， routability >95%（双金属）。
• 模拟：SPICE 角模拟（TT/FF/SS），时延 / 功耗裕量 20%。
• 测试：ATE 覆盖 charge leak，温度 -40~125°C。

这种设计让 386 提前完工，推动 x86 霸业。虽古旧，通透逻辑在面积受限场景（如嵌入式）仍有价值。

资料来源：

• Ken Shirriff, "Unusual circuits in the Intel 386's standard cell logic", https://www.righto.com/2025/11/unusual-386-standard-cell-circuits.html （1 次引用：mux 示意图）。
• HN 讨论：https://news.ycombinator.com/ （相关线程提炼设计 tradeoffs）。

（正文约 1250 字）