这些芯片知识，你知多少

Posted 2022-01-29 周兆熊

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关于芯片，我想大家应该不陌生，因为这两年有关芯片的话题经常登上各大媒体的热搜榜。我们听到最多的就是芯片短缺，某某行业或某某公司又受了影响。与此同时，芯片的出货量是年年创新高。

那么，你了解什么是芯片吗？它有哪些种类？它会如何发展？带着这些问题，我学习了一些有关芯片知识的在线课程，算是对芯片有了一个基本的认识。学完之后，我最大的感慨就是芯片确实非常的高端，要做好芯片确实非常的困难，我们都有必要了解芯片及整个产业。

芯片的本质
我们先来看下面两张芯片的图片，第一张是没有封装的芯片，第二张是经过封装之后的芯片。


简单地说，芯片的本质就是半导体集成电路。这里，我们可以分两部分来理解：首先，制作芯片的材料必须是半导体，这是最基本的要求；其次，芯片必须是集成电路，单个的元器件不能称之为芯片。在半导体之前，人类只能用机械控制电；但有了半导体之后，人类就可以直接用电来控制电，控制能力强了很多。
我们看到芯片周围有很多的引线，这些引线分成两类：一类是负责供电，包括地线和电源线；另一类负责输入、输出信号。
芯片是由一个个的晶体管组成的，单个晶体管的模型如下图所示：

从上面这个图片中，我们可以看到，一个晶体管由源极、漏极和栅极组成，其中源极和漏极就像两个被隔开的地铁站，被一个沟道分离开了。当栅极向下接触到半导体衬底时，就像大门被关闭一样，所有的物体（主要是电子）都不能通过；当栅极向上离开半导体衬底时，就像大门被打开一样，电子就可以通过。晶体管的这个特性是芯片功能的基础，但要想实现复杂功能，光有一个晶体管还不够，必须得把很多晶体管连成集成电路才行。另外，我们常听说的7纳米、5纳米，说的就是这个沟道的长度。
通过上面的描述，我们也可以这么说，芯片就是用简单的晶体管开关构成的一个复杂集成电路系统。下面的图片展示了这个电路系统的复杂性：

芯片的分类
对照我们人体的组成，我们将芯片分为五种类别，如下图所示：

各类芯片的具体说明如下：

第一类，计算芯片（对应人的大脑），如CPU、GPU、FPGA、MCU等。
第二类，存储芯片（对应人的脑皮），如：DRAM、SDRAM、ROM、NAND、FLASH等。
第三类，能源芯片（对应人的心脏），如：电源芯片、DC-AC、LDO等。
第四类，通信芯片（对应人的手脚），如：蓝牙、WiFi、NB-IOT、宽带、USB接口、以太网接口、HDMI接口等。
第五类，感知芯片（对应人的五官），如：MEMS、指纹、麦克风、摄像头等。

芯片的优势
芯片已经完成融入了人类的生活中，它有如下四个优势是其他器件无法比拟的：

第一，芯片是数字化信息的完美载体。有了半导体集成电路，我们就可以绕过机械维度，直接去操控微观的电子来处理信息；另外，把大量晶体管，用标准化的工艺集成到一个芯片上之后，很容易就能实现复杂的运算功能。现在很难想象一个没有芯片的世界会是什么样子的。
第二，芯片具有超高的可靠性。它的可靠性表现在这几个方面：从科学原理上它就是可靠的，芯片的制作工艺要求非常高，以及芯片的制造设备具有极高的精度和稳定性。此外，就算真的出现了问题，也有办法补救（如通过软件升级解决）。
第三，芯片能不断高速进化。根据摩尔定律，从诞生到今天60多年时间里，每18个月，芯片的性能就会提高一倍。虽然经过了这么多年，但到目前为止，这个定律都还是有效的。
第四，芯片技术和需求形成正反馈。芯片用得越多，对其的需求越大，而且还能不断刺激人类产生新的需求。芯片技术和需求也形成了正反馈，相互推进。

芯片制作流程
芯片的制作分为三个步骤：设计、加工和封测，具体如下图所示：

整个制作过程涉及到两个关键的部件，一个是EDA软件，另外一个就是大家常听说的光刻机。EDA软件和光刻机都非常的专业，非大部分公司所能开发，大家可以到网上去了解相关信息。

芯片的发展
芯片的工艺发展非常快，下图展示了各个重要节点的时间：

可以看到，目前的工艺已经超越了5nm，正在向着更小的尺寸迈进。
芯片的发展也不是无穷无尽的，它受到如下四方面的限制：

第一，单个晶体管器件的理论极限。一个硅原子的直径是0.2纳米，而研究表明，硅晶体管的极限尺寸在1纳米左右。
第二，热力学限制。热力学限制，就是芯片工作温度的影响。工程实践表明，芯片工作温度引起的一点点噪声就可能让芯片出错。
第三，量子力学限制。量子力学极限就是量子隧穿带来的不确定性，当沟道缩小到很短，量子效应就开始出现了。
第四，集成带来的更多限制。有一个系统限制对芯片技术发展趋势非常重要，就是功耗；集成密度、时钟频率、电源电压、布线层数等等，每个参数都会限制芯片整体的性能。

芯片前沿技术
未来芯片技术会向着如下四个方向发展：

第一，新原理器件。主要有两种：碳纳米管或者石墨烯这类低维材料，它们最大的优势是电子在其中的传输速度比在硅材料当中要快得多；自旋器件，自旋就是电子在顺时针或者逆时针自转，这其实就可以代表0和1。
第二，可重构芯片。芯片内部的电路结构，可以根据软件进行动态调整，对不同的软件都力求达到定制化硬件的性能；一颗芯片就可以应对大量不同的场景，就有足够的销量来摊平开发成本。
第三，经典芯片和量子计算混合。在未来，基于经典芯片的人工智能EDA软件，或者是经典加量子混合计算的人工智能EDA都会逐步成熟，给芯片技术带来前所未有的推动。
第四，类脑芯片。有研究表明，99%的计算时间和能耗都花在了数据的传输上，真正用于计算的只有1%；类脑芯片的关键点就是模拟人脑行为，存算一体。

总结
芯片技术是一门高精尖技术，芯片产业是当今世界全球化最彻底的产业。作为信息行业的从业者，不管我们从事的是哪方面的工作，都应该了解芯片技术及相关产业，了解芯片在我们的学习和生活中的作用。
希望这篇文章能够让大家对芯片有一个基本的了解，以及对芯片产业有一个基本的认识。也欢迎大家分享自己对芯片的认识和理解，我们共同进步。