写给小白的芯片半导体科普

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）。

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。所以，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。

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：

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……

本文来自微信公众号：鲜枣课堂 （ID：xzclasscom），作者：小枣君