芯片？半導(dǎo)體？來看看這個(gè)給小白的科普文

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前言

我們?cè)谌粘９ぷ骱蜕钪校?jīng)常會(huì)使用到各種各樣的電子或電器產(chǎn)品，例如電腦、手機(jī)、電視、冰箱、洗衣機(jī)等。

這些產(chǎn)品，如果我們把它拆開，都會(huì)看到類似下面這樣的一塊綠色板子。

大家都知道，這個(gè)綠色板子，叫做電路板。更官方一點(diǎn)的名稱，叫印制電路板，也就是PCB（Printed Circuit Board，國外有時(shí)候也叫PWB，Printed Wire Board）。

在PCB上，焊接了很多的電子元器件，例如電容、電阻、電感等。

我們還可以看到，有一些黑色的方形元件。

沒錯(cuò)，這個(gè)元件，很可能就是一塊芯片（英文名叫做chip）。

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芯片的定義

芯片，其實(shí)是一個(gè)比較籠統(tǒng)的叫法。

對(duì)于電子設(shè)備來說，它藏在內(nèi)部，又非常重要，相當(dāng)于汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)、人的心臟，所以叫“芯”。從形態(tài)來看，它是一片一片的，所以叫“片”。合起來，就是“芯片”。

通常來說，芯片就是集成電路（integrated circuit）。兩者之間可以劃等號(hào)，互相換用。

集成電路是比較容易定義的。通過特定技術(shù)，將晶體管、電阻、電容、二極管等電子元件集成在單一基板上，形成一種微型電路，就叫集成電路。

如果這個(gè)基板，采用的是半導(dǎo)體材料（例如硅），或者說，集成電路由半導(dǎo)體材料晶圓制造而來，就屬于半導(dǎo)體集成電路。

我們傳統(tǒng)意義上說的集成電路，基本上都是指半導(dǎo)體集成電路。所有，有時(shí)候半導(dǎo)體、芯片、集成電路三個(gè)詞，也經(jīng)常混用。

如果細(xì)摳的話，芯片和集成電路也還是有一些區(qū)別的。

部分行業(yè)觀點(diǎn)認(rèn)為：

集成電路是電路，是基礎(chǔ)單元，主要強(qiáng)調(diào)實(shí)現(xiàn)某一功能，例如某一邏輯運(yùn)算。在電路設(shè)計(jì)等場景，會(huì)更多用到這個(gè)叫法。

而芯片，是一個(gè)更宏觀、更產(chǎn)品化的概念。經(jīng)過設(shè)計(jì)、制造、封裝和測試后，形成的可直接使用的產(chǎn)品形態(tài)，被認(rèn)為是芯片。在強(qiáng)調(diào)用途的時(shí)候，人們會(huì)更多采用“芯片”的叫法，例如CPU芯片、AI芯片、基帶芯片等。

也有人將芯片定義為：“包含了一個(gè)或多個(gè)集成電路的、能夠?qū)崿F(xiàn)某種特定功能的通用半導(dǎo)體元件產(chǎn)品”。或者說，芯片是半導(dǎo)體元件產(chǎn)品的統(tǒng)稱。

相比之下，半導(dǎo)體和集成電路的區(qū)別，更清晰一些：

半導(dǎo)體包括：集成電路+分立器件+光電子器件+傳感器。

集成電路和另外三個(gè)的主要區(qū)別，在于集成度。集成電路的晶體管數(shù)量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于分立器件、光電子器件和傳感器。另外，襯底材料一般也不一樣。

目前，光電子器件，分立器件和傳感器的市場規(guī)模加在一起，也僅占到全部半導(dǎo)體市場規(guī)模的10%左右。

所以，我們可以說：集成電路是半導(dǎo)體的最重要組成部分。

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芯片的分類

芯片是一套實(shí)現(xiàn)特定功能的電路。它具有模塊化的特點(diǎn)，可以方便廠商快速地進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和研發(fā)，降低開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期。

幾十年來，半導(dǎo)體工藝在摩爾定律的指引下飛速發(fā)展，芯片的尺寸越來越小，里面容納的電路越來越多，使得電子產(chǎn)品的體積、成本以及功耗大幅下降。

它不僅改善了我們的生活品質(zhì)，也引領(lǐng)了信息技術(shù)革命，推動(dòng)了整個(gè)人類文明的進(jìn)步。

如今，芯片形成了非常廣泛的應(yīng)用，也衍生出了很多類別。

世界半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計(jì)組織（World Semiconductor Trade Statistics，WSTS）的分類方式較為權(quán)威、官方。他們將所有集成電路類別，分為：模擬（Analog）、微型（Micro）、邏輯（Logic）和存儲(chǔ)器（Memory）。

非官方層面，分類就比較隨意。

按照功能，我們經(jīng)常將芯片分為：計(jì)算芯片、存儲(chǔ)芯片、通信芯片、感知芯片、能源芯片、接口芯片。

我們比較熟悉的芯片類型，有以下幾種：

按照等級(jí)，芯片又可以分為消費(fèi)級(jí)、工業(yè)級(jí)、汽車級(jí)、軍工級(jí)和航天級(jí)等。按照設(shè)計(jì)理念，還可以分為通用芯片（CPU、GPU等）、專用芯片（AISC）。

我們還可以按照工藝制程來分，例如大家經(jīng)常聽說的28nm、14nm、7nm、5nm?；蛘?，按照半導(dǎo)體材料來分，例如硅（Si）、鍺（Ge）、砷化鎵（GaAs）、氮化鎵（GaN）等。這些我們?cè)诤竺嬷v芯片制造流程時(shí)，都會(huì)再介紹。

事實(shí)上，現(xiàn)在我們除了電芯片之外，還發(fā)展出了光芯片（例如硅光技術(shù)），用光來代替電流來傳遞信號(hào)。

站在集成電路的角度，還有很多種分類。

按制作工藝，集成電路可以分為半導(dǎo)體集成電路和膜集成電路（膜集成電路用的是金屬和陶瓷等）。膜集成電路又分為厚膜（thick-film）集成電路和薄膜（thin-film）集成電路。

按照電路屬性，我們還可以分為數(shù)字集成電路、模擬集成電路和混合信號(hào)集成電路。

數(shù)字集成電路，顧名思義，處理的都是數(shù)字信號(hào)。它在我們身邊出現(xiàn)得最多，例如微處理器（CPU、GPU等）、數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）和微控制器（MCU）等，都是數(shù)字集成電路。

模擬集成電路，較多用于傳感器、電源芯片、運(yùn)放等，主要用于模擬信號(hào)的放大、濾波、解調(diào)、混頻等功能。

混合信號(hào)集成電路，是模擬和數(shù)字電路集成在一個(gè)芯片上。大家應(yīng)該能猜到，模數(shù)（ADC）和數(shù)模（DAC）轉(zhuǎn)換芯片，就屬于這類。

按照芯片上所集成的微電子器件的數(shù)量（規(guī)模），集成電路可以分為以下幾類：

更專業(yè)一點(diǎn)，按導(dǎo)電類型，集成電路還可以分為雙極型集成電路和單極型集成電路。

雙極型集成電路的制作工藝復(fù)雜，功耗較大，代表集成電路有TTL、 ECL、HTL、LST-TL、STTL等類型。

單極型集成電路的制作工藝簡單，功耗也較低，易于制成大規(guī)模集成電路，代表集成電路有CMOS、NMOS、PMOS等。

上面這些名詞，后續(xù)小棗君在介紹芯片的工作原理時(shí)，都會(huì)詳細(xì)解釋。

04

芯片的內(nèi)部構(gòu)造

前面我們提到，芯片看上去都是黑色方片狀。

有時(shí)候，它還會(huì)有銀色的金屬蓋板（加強(qiáng)保護(hù)，也利于散熱）。例如我們的CPU：

CPU蓋板

CPU外觀

芯片是經(jīng)過封裝（芯片制造流程的一道工序）之后，才變成了這樣。

我們把“殼”拿掉，才能真正看到芯片的內(nèi)部核心。用顯微鏡放大來看，是這樣的：

外圍一圈，是引腳（針腳）。細(xì)細(xì)的線，是引線。中間方形的部分，才是芯片真正的電路。

如果繼續(xù)放大來看，是這樣的：

換成3D效果，是這樣的：

沒錯(cuò)，都是立體的，有很多很多層，密密麻麻，就像一個(gè)超級(jí)迷宮，也像一座未來城市。

圖上，一根一根的，都是連線。而它們連接的對(duì)象，就是晶體管。

芯片中晶體管的數(shù)量，通常代表了這個(gè)芯片的能力。晶體管越多，電路就越多，功能和算力就更強(qiáng)?，F(xiàn)在很多廠商發(fā)布芯片，總是會(huì)強(qiáng)調(diào)芯片里面擁有多少多少晶體管，就是這個(gè)意思。

芯片有簡單的（相對(duì)來說），也有復(fù)雜的。一些復(fù)雜的芯片，還會(huì)分為各個(gè)不同的功能模塊。這些模塊共同組成一個(gè)系統(tǒng)，就變成了SoC（System on Chip，片上系統(tǒng)，系統(tǒng)級(jí)芯片）。

我們的手機(jī)主芯片，例如高通驍龍、聯(lián)發(fā)科天璣、華為麒麟，都是典型的SoC芯片。芯片上包括了CPU、GPU、APU、ISP、基帶、射頻，等等。

那么，問題來了，芯片里面的晶體管，為什么能夠完成計(jì)算、存儲(chǔ)等五花八門的工作？

我們常說的邏輯門、MOSFET、FinFET、PN結(jié)，又是啥意思呢？