芯片半导体科普

我们在日常工作和生活中,经常会使用到各种各样的电子或电器产品,例如电脑、手机、电视、冰箱、洗衣机等。
这些产品,如果我们把它拆开,都会看到类似下面这样的一块绿色板子。

有时候是蓝色或黑色的

大家都知道,这个绿色板子,叫做电路板。更官方一点的名称,叫印制电路板,也就是PCB(Printed Circuit Board,国外有时候也叫PWB,Printed Wire Board)。

在PCB上,焊接了很多的电子元器件,例如电容、电阻、电感等。

我们还可以看到,有一些黑色的方形元件。

没错,这个元件,很可能就是一块芯片(英文名叫做chip)。
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 芯片的定义

芯片,其实是一个比较笼统的叫法。

对于电子设备来说,它藏在内部,又非常重要,相当于汽车的发动机、人的心脏,所以叫“芯”。从形态来看,它是一片一片的,所以叫“片”。合起来,就是“芯片”。

通常来说,芯片就是集成电路(integrated circuit)。两者之间可以划等号,互相换用。

集成电路是比较容易定义的。通过特定技术,将晶体管、电阻、电容、二极管等电子元件集成在单一基板上,形成一种微型电路,就叫集成电路。

如果这个基板,采用的是半导体材料(例如硅),或者说,集成电路由半导体材料晶圆制造而来,就属于半导体集成电路。

我们传统意义上说的集成电路,基本上都是指半导体集成电路。所有,有时候半导体、芯片、集成电路三个词,也经常混用。

如果细抠的话,芯片和集成电路也还是有一些区别的。

部分行业观点认为:

集成电路是电路,是基础单元,主要强调实现某一功能,例如某一逻辑运算。在电路设计等场景,会更多用到这个叫法。

而芯片,是一个更宏观、更产品化的概念。经过设计、制造、封装和测试后,形成的可直接使用的产品形态,被认为是芯片。在强调用途的时候,人们会更多采用“芯片”的叫法,例如CPU芯片、AI芯片、基带芯片等。

也有人将芯片定义为:“包含了一个或多个集成电路的、能够实现某种特定功能的通用半导体元件产品”。或者说,芯片是半导体元件产品的统称。

相比之下,半导体和集成电路的区别,更清晰一些:

半导体包括:集成电路+分立器件+光电子器件+传感器。

集成电路和另外三个的主要区别,在于集成度。集成电路的晶体管数量,远远大于分立器件、光电子器件和传感器。另外,衬底材料一般也不一样。

目前,光电子器件,分立器件和传感器的市场规模加在一起,也仅占到全部半导体市场规模的10%左右。

所以,我们可以说:集成电路是半导体的最重要组成部分。

 芯片的分类

芯片是一套实现特定功能的电路。它具有模块化的特点,可以方便厂商快速地进行产品设计和研发,降低开发难度,缩短开发周期。

几十年来,半导体工艺在摩尔定律的指引下飞速发展,芯片的尺寸越来越小,里面容纳的电路越来越多,使得电子产品的体积、成本以及功耗大幅下降。

它不仅改善了我们的生活品质,也引领了信息技术革命,推动了整个人类文明的进步。

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有了芯片,才有了手机。

如今,芯片形成了非常广泛的应用,也衍生出了很多类别。

世界半导体贸易统计组织(World Semiconductor Trade Statistics,WSTS)的分类方式较为权威、官方。他们将所有集成电路类别,分为:模拟(Analog)、微型(Micro)、逻辑(Logic)和存储器(Memory)。

非官方层面,分类就比较随意。

按照功能,我们经常将芯片分为:计算芯片、存储芯片、通信芯片、感知芯片、能源芯片、接口芯片。

我们比较熟悉的芯片类型,有以下几种:

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按照等级,芯片又可以分为消费级、工业级、汽车级、军工级和航天级等。按照设计理念,还可以分为通用芯片(CPU、GPU等)、专用芯片(AISC)。

我们还可以按照工艺制程来分,例如大家经常听说的28nm、14nm、7nm、5nm。或者,按照半导体材料来分,例如硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)等。这些我们在后面讲芯片制造流程时,都会再介绍。

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事实上,现在我们除了电芯片之外,还发展出了光芯片(例如硅光技术),用光来代替电流来传递信号。

站在集成电路的角度,还有很多种分类。

按制作工艺,集成电路可以分为半导体集成电路和膜集成电路(膜集成电路用的是金属和陶瓷等)。膜集成电路又分为厚膜(thick-film)集成电路和薄膜(thin-film)集成电路。

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按照电路属性,我们还可以分为数字集成电路、模拟集成电路和混合信号集成电路。

数字集成电路,顾名思义,处理的都是数字信号。它在我们身边出现得最多,例如微处理器(CPU、GPU等)、数字信号处理器(DSP)和微控制器(MCU)等,都是数字集成电路。

模拟集成电路,较多用于传感器、电源芯片、运放等,主要用于模拟信号的放大、滤波、解调、混频等功能。

混合信号集成电路,是模拟和数字电路集成在一个芯片上。大家应该能猜到,模数(ADC)和数模(DAC)转换芯片,就属于这类。

按照芯片上所集成的微电子器件的数量(规模),集成电路可以分为以下几类:

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更专业一点,按导电类型,集成电路还可以分为双极型集成电路和单极型集成电路。

双极型集成电路的制作工艺复杂,功耗较大,代表集成电路有TTL、 ECL、HTL、LST-TL、STTL等类型。

单极型集成电路的制作工艺简单,功耗也较低,易于制成大规模集成电路,代表集成电路有CMOS、NMOS、PMOS等。

上面这些名词,后续在介绍芯片的工作原理时,都会详细解释。

 芯片的内部构造

前面我们提到,芯片看上去都是黑色方片状。

有时候,它还会有银色的金属盖板(加强保护,也利于散热)。例如我们的CPU:

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CPU盖板

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CPU外观

芯片是经过封装(芯片制造流程的一道工序)之后,才变成了这样。

我们把“壳”拿掉,才能真正看到芯片的内部核心。用显微镜放大来看,是这样的:

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外围一圈,是引脚(针脚)。细细的线,是引线。中间方形的部分,才是芯片真正的电路。

如果继续放大来看,是这样的:

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换成3D效果,是这样的:

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没错,都是立体的,有很多很多层,密密麻麻,就像一个超级迷宫,也像一座未来城市。

图上,一根一根的,都是连线。而它们连接的对象,就是晶体管。

芯片中晶体管的数量,通常代表了这个芯片的能力。晶体管越多,电路就越多,功能和算力就更强。现在很多厂商发布芯片,总是会强调芯片里面拥有多少多少晶体管,就是这个意思。

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英伟达的H100 GPU,拥有800亿晶体管

芯片有简单的(相对来说),也有复杂的。一些复杂的芯片,还会分为各个不同的功能模块。这些模块共同组成一个系统,就变成了SoC(System on Chip,片上系统,系统级芯片)。

我们的手机主芯片,例如高通骁龙、联发科天玑、华为麒麟,都是典型的SoC芯片。芯片上包括了CPU、GPU、APU、ISP、基带、射频,等等。

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那么,问题来了,芯片里面的晶体管,为什么能够完成计算、存储等五花八门的工作?

我们常说的逻辑门、MOSFET、FinFET、PN结,又是啥意思呢?

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