写给小白的芯片半导体科普

原创 鲜枣课堂 2023-12-05 17:01
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)。



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。

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)、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:


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。


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。


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:


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,后续小枣君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:

CPU盖板

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:



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:



换成3D效果,是这样的:



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。

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。



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?

未完待续……


敬请期待:
《篇2:芯片的工作原理
篇3:芯片的制造过程

鸣谢:本文写作过程得到了北京国际工程咨询有限公司高级经济师兼北京半导体行业协会副秘书长朱晶老师的指导,特此感谢!

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