这些芯片知识，你知多少
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關(guān)于芯片，我想大家應(yīng)該不陌生，因?yàn)檫@兩年有關(guān)芯片的話題經(jīng)常登上各大媒體的熱搜榜。我們聽(tīng)到最多的就是芯片短缺，某某行業(yè)或某某公司又受了影響。與此同時(shí)，芯片的出貨量是年年創(chuàng)新高。
那么，你了解什么是芯片嗎？它有哪些種類？它會(huì)如何發(fā)展？帶著這些問(wèn)題，我學(xué)習(xí)了一些有關(guān)芯片知識(shí)的在線課程，算是對(duì)芯片有了一個(gè)基本的認(rèn)識(shí)。學(xué)完之后，我最大的感慨就是芯片確實(shí)非常的高端，要做好芯片確實(shí)非常的困難，我們都有必要了解芯片及整個(gè)產(chǎn)業(yè)。
芯片的本質(zhì)
我們先來(lái)看下面兩張芯片的圖片，第一張是沒(méi)有封裝的芯片，第二張是經(jīng)過(guò)封裝之后的芯片。
簡(jiǎn)單地說(shuō)，芯片的本質(zhì)就是半導(dǎo)體集成電路。這里，我們可以分兩部分來(lái)理解：首先，制作芯片的材料必須是半導(dǎo)體，這是最基本的要求；其次，芯片必須是集成電路，單個(gè)的元器件不能稱之為芯片。在半導(dǎo)體之前，人類只能用機(jī)械控制電；但有了半導(dǎo)體之后，人類就可以直接用電來(lái)控制電，控制能力強(qiáng)了很多。
我們看到芯片周圍有很多的引線，這些引線分成兩類：一類是負(fù)責(zé)供電，包括地線和電源線；另一類負(fù)責(zé)輸入、輸出信號(hào)。
芯片是由一個(gè)個(gè)的晶體管組成的，單個(gè)晶體管的模型如下圖所示：
從上面這個(gè)圖片中，我們可以看到，一個(gè)晶體管由源極、漏極和柵極組成，其中源極和漏極就像兩個(gè)被隔開(kāi)的地鐵站，被一個(gè)溝道分離開(kāi)了。當(dāng)柵極向下接觸到半導(dǎo)體襯底時(shí)，就像大門被關(guān)閉一樣，所有的物體（主要是電子）都不能通過(guò)；當(dāng)柵極向上離開(kāi)半導(dǎo)體襯底時(shí)，就像大門被打開(kāi)一樣，電子就可以通過(guò)。晶體管的這個(gè)特性是芯片功能的基礎(chǔ)，但要想實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能，光有一個(gè)晶體管還不夠，必須得把很多晶體管連成集成電路才行。另外，我們常聽(tīng)說(shuō)的7納米、5納米，說(shuō)的就是這個(gè)溝道的長(zhǎng)度。
通過(guò)上面的描述，我們也可以這么說(shuō)，芯片就是用簡(jiǎn)單的晶體管開(kāi)關(guān)構(gòu)成的一個(gè)復(fù)雜集成電路系統(tǒng)。下面的圖片展示了這個(gè)電路系統(tǒng)的復(fù)雜性：
芯片的分類
對(duì)照我們?nèi)梭w的組成，我們將芯片分為五種類別，如下圖所示：
各類芯片的具體說(shuō)明如下：
第一類，計(jì)算芯片（對(duì)應(yīng)人的大腦），如CPU、GPU、FPGA、MCU等。
第二類，存儲(chǔ)芯片（對(duì)應(yīng)人的腦皮），如：DRAM、SDRAM、ROM、NAND、FLASH等。
第三類，能源芯片（對(duì)應(yīng)人的心臟），如：電源芯片、DC-AC、LDO等。
第四類，通信芯片（對(duì)應(yīng)人的手腳），如：藍(lán)牙、WiFi、NB-IOT、寬帶、USB接口、以太網(wǎng)接口、HDMI接口等。
第五類，感知芯片（對(duì)應(yīng)人的五官），如：MEMS、指紋、麥克風(fēng)、攝像頭等。
芯片的優(yōu)勢(shì)
芯片已經(jīng)完成融入了人類的生活中，它有如下四個(gè)優(yōu)勢(shì)是其他器件無(wú)法比擬的：
第一，芯片是數(shù)字化信息的完美載體。有了半導(dǎo)體集成電路，我們就可以繞過(guò)機(jī)械維度，直接去操控微觀的電子來(lái)處理信息；另外，把大量晶體管，用標(biāo)準(zhǔn)化的工藝集成到一個(gè)芯片上之后，很容易就能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)算功能。現(xiàn)在很難想象一個(gè)沒(méi)有芯片的世界會(huì)是什么樣子的。
第二，芯片具有超高的可靠性。它的可靠性表現(xiàn)在這幾個(gè)方面：從科學(xué)原理上它就是可靠的，芯片的制作工藝要求非常高，以及芯片的制造設(shè)備具有極高的精度和穩(wěn)定性。此外，就算真的出現(xiàn)了問(wèn)題，也有辦法補(bǔ)救（如通過(guò)軟件升級(jí)解決）。
第三，芯片能不斷高速進(jìn)化。根據(jù)摩爾定律，從誕生到今天60多年時(shí)間里，每18個(gè)月，芯片的性能就會(huì)提高一倍。雖然經(jīng)過(guò)了這么多年，但到目前為止，這個(gè)定律都還是有效的。
第四，芯片技術(shù)和需求形成正反饋。芯片用得越多，對(duì)其的需求越大，而且還能不斷刺激人類產(chǎn)生新的需求。芯片技術(shù)和需求也形成了正反饋，相互推進(jìn)。
芯片制作流程
芯片的制作分為三個(gè)步驟：設(shè)計(jì)、加工和封測(cè)，具體如下圖所示：
整個(gè)制作過(guò)程涉及到兩個(gè)關(guān)鍵的部件，一個(gè)是EDA軟件，另外一個(gè)就是大家常聽(tīng)說(shuō)的光刻機(jī)。EDA軟件和光刻機(jī)都非常的專業(yè)，非大部分公司所能開(kāi)發(fā)，大家可以到網(wǎng)上去了解相關(guān)信息。
芯片的發(fā)展
芯片的工藝發(fā)展非常快，下圖展示了各個(gè)重要節(jié)點(diǎn)的時(shí)間：
可以看到，目前的工藝已經(jīng)超越了5nm，正在向著更小的尺寸邁進(jìn)。
芯片的發(fā)展也不是無(wú)窮無(wú)盡的，它受到如下四方面的限制：
第一，單個(gè)晶體管器件的理論極限。一個(gè)硅原子的直徑是0.2納米，而研究表明，硅晶體管的極限尺寸在1納米左右。
第二，熱力學(xué)限制。熱力學(xué)限制，就是芯片工作溫度的影響。工程實(shí)踐表明，芯片工作溫度引起的一點(diǎn)點(diǎn)噪聲就可能讓芯片出錯(cuò)。
第三，量子力學(xué)限制。量子力學(xué)極限就是量子隧穿帶來(lái)的不確定性，當(dāng)溝道縮小到很短，量子效應(yīng)就開(kāi)始出現(xiàn)了。
第四，集成帶來(lái)的更多限制。有一個(gè)系統(tǒng)限制對(duì)芯片技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)非常重要，就是功耗；集成密度、時(shí)鐘頻率、電源電壓、布線層數(shù)等等，每個(gè)參數(shù)都會(huì)限制芯片整體的性能。
芯片前沿技術(shù)
未來(lái)芯片技術(shù)會(huì)向著如下四個(gè)方向發(fā)展：
第一，新原理器件。主要有兩種：碳納米管或者石墨烯這類低維材料，它們最大的優(yōu)勢(shì)是電子在其中的傳輸速度比在硅材料當(dāng)中要快得多；自旋器件，自旋就是電子在順時(shí)針或者逆時(shí)針自轉(zhuǎn)，這其實(shí)就可以代表0和1。
第二，可重構(gòu)芯片。芯片內(nèi)部的電路結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，對(duì)不同的軟件都力求達(dá)到定制化硬件的性能；一顆芯片就可以應(yīng)對(duì)大量不同的場(chǎng)景，就有足夠的銷量來(lái)攤平開(kāi)發(fā)成本。
第三，經(jīng)典芯片和量子計(jì)算混合。在未來(lái)，基于經(jīng)典芯片的人工智能EDA軟件，或者是經(jīng)典加量子混合計(jì)算的人工智能EDA都會(huì)逐步成熟，給芯片技術(shù)帶來(lái)前所未有的推動(dòng)。
第四，類腦芯片。有研究表明，99%的計(jì)算時(shí)間和能耗都花在了數(shù)據(jù)的傳輸上，真正用于計(jì)算的只有1%；類腦芯片的關(guān)鍵點(diǎn)就是模擬人腦行為，存算一體。
總結(jié)
芯片技術(shù)是一門高精尖技術(shù)，芯片產(chǎn)業(yè)是當(dāng)今世界全球化最徹底的產(chǎn)業(yè)。作為信息行業(yè)的從業(yè)者，不管我們從事的是哪方面的工作，都應(yīng)該了解芯片技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)，了解芯片在我們的學(xué)習(xí)和生活中的作用。
希望這篇文章能夠讓大家對(duì)芯片有一個(gè)基本的了解，以及對(duì)芯片產(chǎn)業(yè)有一個(gè)基本的認(rèn)識(shí)。也歡迎大家分享自己對(duì)芯片的認(rèn)識(shí)和理解，我們共同進(jìn)步。
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的这些芯片知识，你知多少的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。
