芯片科普|芯片是什么?如何分类?

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从“为什么芯片会被卡脖子”到现在“芯片短缺如何缓解”,能够明显感受到大家对于芯片重要性的认知深刻了许多。但很多同学接触芯片行业,想要进一步了解的时候,还是会有各种各样的问题待解答!

所以这是一篇零基础小白可读的、帮你迅速掌握芯片行业基本知识的科普文。

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01 芯片概念

先区分几个基本概念:芯片、半导体、集成电路都是什么?

半导体: 常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料,常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等。现在芯片常用的半导体材料是硅。

集成电路: 一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺,把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起,制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上,然后封装在一个管壳内,成为具有所需电路功能的微型结构。

芯片: 就是把一个电路所需的晶体管和其他器件制作在一块半导体上(来自杰夫·达默)。 芯片属于集成电路的载体。

严格从定义上来说,集成电路 ≠ 芯片。

但从狭义上说,我们日常提到的 IC、芯片、集成电路其实并没有什么差别。平时大家所讨论的 IC 行业、芯片行业指的也是同一个行业。

如果用一句话概括: 芯片就是以半导体为原材料,把集成电路进行设计、制造、封测后,所得到的实体产品。

当芯片被搭载在手机、电脑、平板上之后,它就成为了这类电子产品的核心与灵魂。

芯片科普|芯片是什么?如何分类?插图1

手机触屏需要有触控芯片,储存信息需要有存储芯片,实现通信功能要有基带芯片、射频芯片、蓝牙芯片,想要拍出好看的照片就需要 GPU…… 一部手机里的芯片加起来都要有 100 多颗。

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02 芯片分类

这么多芯片,有没有什么系统的分类方式呢?其实芯片的分类方式有很多种:

按照处理信号方式可以分成:模拟芯片、数字芯片

信号分为模拟信号和数字信号,数字芯片就是处理数字信号的,比如 CPU、逻辑电路等;模拟芯片是处理模拟信号的,比如运算放大器、线性稳压器、基准电压源等。

如今的芯片大多数都同时具有数字和模拟,一块芯片到底归属为哪类产品是没有绝对标准的,通常会根据芯片的核心功能来区分。

按照应用场景可以分:航天级芯片、车规级芯片、工业级芯片、商业级芯片

芯片可以用于航天、汽车、工业、消费不同的领域,之所以这么分是因为这些领域对于芯片的性能要求不一样,比如温度范围、精度、连续无故障运行时间(寿命)等。举个例子:

工业级芯片比商业级芯片的温度范围要更宽,航天级芯片的性能最好,同时价格也最贵。

按照使用功能可以分:GPU、CPU、FPGA、DSP、ASIC、SoC……

刚刚说的触控芯片、存储芯片、蓝牙芯片 …… 就是依据使用功能来分类的。还有企业经常说的“我司的主营业务是 CPU 芯片 /WIFI 芯片”,也从功能角度来分的。

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按照集成度可以分:小规模集成电路(SSI)、中规模集成电路(MSI)、大规模集成电路(LSI)、超大规模集成电路(VLSI)

集成度就是要看芯片上集成的元器件个数。现在智能手机里的芯片基本都是特大规模集成电路了,里面集合了数以亿计的元器件。

其实这属于早期来表述芯片集成度的方式,后来在发展过程中就以特征线宽(设计基准)的尺寸来表述,比如微米、纳米。也可以理解为我们现在所常说的工艺制程。

按照工艺制程可以分:5nm 芯片、7nm 芯片、14nm 芯片、28nm 芯片 ……

这里的 nm 其实就是指 CMOS 器件的栅长,也可以理解成最小布线宽度或者最小加工尺寸。

放眼全球,目前比较先进的制程就是台积电和三星的 3nm,但是目前良率并不高(三星 3nm 良率仅有 10-20%)。国内最先进的制程是中芯国际的 14nm。

芯片的发展过程,也是充满了“传奇色彩”,我们需要从 IC 业内非常著名的“摩尔定律”讲起。

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03 摩尔定律

摩尔定律是英特尔创始人之一戈登·摩尔的经验之谈。

之所以说是经验之谈,是因为该“定律”并非是自然科学的定律,而是戈登·摩尔经过长期观察所总结出来的经验。

1965 年,戈登·摩尔在绘制一份发展报告的图表时,发现了一个惊人的趋势:每颗芯片所能容纳的晶体管数目大概在 18-24 个月就会翻一番,性能也会提升一倍。

摩尔定律预言了芯片的规模和性能。

1971 年,英特尔的第一代微处理器有 2300 个晶体管。

2007 年,45nm 的处理器有 8 亿多晶体管。现如今,麒麟 9000 采用的是 5nm 工艺制程,集成了 153 亿晶体管。

在过往的 50 多年中,芯片行业一直在遵循着摩尔定律的预言在发展。

现在工艺已经逼近“极限”,工艺制程不可能无限缩小,近几年摩尔定律也已经放缓。随着技术发展,摩尔定律也定然会遇到瓶颈。

但摩尔定律在半导体史上永远都是传奇而浓墨重彩的一笔!

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芯片种类越多、功能越强大,就越让人忍不住好奇:一颗芯片究竟是如何“披荆斩棘、打磨棱角”来到我们面前的?

学习之路上,IC 修真院与你同行。

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