随着产品越来越智能,芯片无处不在,电脑、手机、家电、汽车、高铁、电网、医疗仪器、机器人、工业控制系统等各种产品都离不开芯片,而人工智能、云计算、大数据、物联网等重要产业,无一例外地以芯片作为硬件基础。芯片应用广泛,种类繁多。本文结合智能手机和智能汽车中蕴含的芯片,对芯片的分类进行探讨,敬请批评指正。
多个角度看芯片的分类
1、按照不同的处理信号分类
按照不同的处理信号分类,芯片可以分为:数字芯片、模拟芯片和数模混合芯片。数字芯片用于产生、放大和处理各种数字信号。模拟芯片用于产生、放大和处理各种模拟信号。
模拟信号是指随着时间连续变化的信号,如正弦波电压信号、摄像机摄下的图像、录音机录下的声音、车间控制室所记录的压力、转速、湿度等。数字信号是指在时间上和数量上都不连续变化的信号,也可理解成离散的信号,如矩形电压信号、十字路口的交通信号灯、数字式电子仪表、自动生产线上产品数量的统计等。
数字芯片包括各类通用处理器、存储器、微控制器(MCU)等,生活中各类电子产品中控制器、移动硬盘等核心部件,以及实验室的检测设备如数字示波器、数字信号发生器中,都需要数字芯片。模拟芯片包括模数转换芯片(ADC)、运算放大器、线性稳压器、基准电压源等。数模混合芯片则包括数模转换器、基带芯片、接口芯片等。
数字芯片、模拟芯片和数模混合芯片具体包括以下类型:
数字芯片的分类
◉ 通用处理器:通用处理器是由大量的逻辑电路组成的,它包含了控制、存储、运算、输入输出等部分,形成了一个完整的数据和信息处理系统,被称为电子产品和信息系统的大脑和中枢。常见的通用处理器包括中央处理器(CPU)、图像处理器(GPU)、数字信号处理器(DSP)、加速处理器(APU)等。CPU 用于管理、调度和控制电子产品和信息系统各组成部分协调高效工作;GPU、DSP、APU 接受 CPU 管理,但可以独立完成其特有的功能,例如图像显示、图形处理、数据和信息的处理等。
Intel 酷睿 i7CPU 芯片
◉ 存储器:存储器是用于存储数据和信息的芯片。包含静态存储器(SRAM)、动态存储器(DRAM)、只读存储器(ROM)、闪存(Flash)等。SRAM 与 DRAM 称为易失性存储器,SRAM 用于电子产品中存储数据,在通电过程保持数据不变,断电后数据丢失;DRAM 在通电过程中通过定时刷新保持数据不变,断电后数据丢失。ROM 和 Flash 称为非易失性存储器,ROM 一旦写入数据后,不论通电与否都不会丢失;Flash 在通电过程中保持数据不变,断电也不丢失。
◉ 单片系统(SoC):单片系统就是把一个电子系统全部集成到一颗芯片中。只要给 SoC 芯片加上电源和少量外部电路,就可以实现一个完整的电子产品或系统的功能。例如音视频播放器(MP4)、汽车导航仪等都可以用一个 SoC 芯片加少量外部元器件来实现。
华为海思的 5G 手机 SoC 芯片 - 麒麟 9000
(图源:华为海思官网)
◉ 微控制器(MCU):微控制器是简化版的 CPU,通常也称为单片机,是一个完整的微型计算机,只需要供电或加上极少的外围电路即可工作。常见的 MCU 有 MCS-51 系列、STM32 系列、STC 系列等。从阳台定时浇花器、电饭锅、电冰箱等的控制,到仪器、仪表、工业自动化生产线等的控制,再到高铁、飞机等的系统控制,MCU 都是重要的组成部分。
STM32 系列 MCU
◉ 可编程逻辑器件(PLD):上述芯片都属于固定逻辑电路的芯片,它们从代工厂生产出来后,功能就被固定下来,不能再进行任何大的改变。PLD 由工厂生产出来后,其功能还没有确定,需要设计人员按需求进行编程后,芯片才能表现出想要的功能。因此,PLD 芯片也称为半定制芯片。常见的现场可编程门阵列(FPGA)和复杂可编程逻辑器件(CPLD)都属于 PLD。与中、小规模逻辑集成器件相比,PLD 在原型系统开发、集成度、功耗和系统可靠性等方面有显著的优势。但是对于规模更大、更复杂的数字系统,CPLD 和 FPGA 设计实现大型数字系统已成为普遍应用的方法。了解更多 FPGA 基础知识,详见 FPGA 芯片知多少。
模拟芯片的分类
分离器件和模组 (二极管、三极管、MOSFET、IGBT 等):这些器件和模组也是采用集成电路平面工艺制作而成,虽然封装成器件和模组的形式,外观不像一般的芯片,但它们也属于集成电路的范畴。
场效应管主要有两种类型,分别是结型场效应管(JFET)和绝缘栅场效应管(MOS 管)。MOS 管即 MOSFET,是绝缘栅场效应管,可分为 N 沟耗尽型和增强型、P 沟耗尽型和增强型四大类。MOSFET 用于开关电源、镇流器、高频感应加热、高频逆变焊接机、通讯电源等高频电源。
IGBT 是绝缘栅双极型晶体管,是由晶体三极管和 MOS 管组成的复合型半导体器件。IGBT 作为新型电子半导体器件,具有输入阻抗高、电压控制功耗低、控制电路简单、耐高压、承受电流大等特性。在焊接、逆变器、电镀电源、超音频感应加热等领域有着广泛的应用。
◉ 电源电路:用于把 200V、50Hz 的交流电转换成不同输出电压和电流的直流电,作为各种电子产品和系统的电源。
◉ 信号检测电路:用于检测微弱的电信号,经过滤波、放大等多种前端处理后,变成便于处理的大信号或者数字信号。
◉ 滤波器芯片:在日常手机通话时,有无数条不同频道的电磁波在运动着,而使我们同频聊天不受其它电磁波干扰的芯片,就是滤波器芯片。滤波电路用于信号的提取、变换或抗干扰。它是一种选频电路,可以使信号中特定的频率成分通过,同时极大地衰减其他频率成分。
◉ 信号发生器:信号发生器芯片用于产生正弦波、矩形波、三角波、锯齿波等。它主要包括各种函数信号发生器、特殊频率、波形和脉冲信号发生器等。
◉ 放大器:放大器芯片用于对信号的电压、电流或功率进行放大,有着很大的信号覆盖能力,能大力增强信号。主要包括前置放大器、运算放大器和功率放大器等十多种放大器芯片。
◉ 射频芯片:指的是将无线电信号通信转换成一定的无线电信号波形, 并通过天线谐振发送出去的电子元器件。射频芯片种类很多,包括射频前端和射频后端,其中射频后端主要就是基带芯片。而射频前端则主要包括: 射频天线、射频开关、功率放大器(PA)、低噪放大器(LNA)、滤波器等。
数模混合芯片的分类
◉ 数模转换器芯片:包括 A / D 转换器芯片和 D / A 转换器芯片。模数转换器即 A / D 转换器,或简称 ADC,A 代表模拟量,D 代表数字量,通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。数模转换器,又称 D / A 转换器,简称 DAC,它是把数字量转变成模拟的器件。
◉ 光电转换电路:光电转换芯片是实现光通信和光电系统不可或缺的芯片种类。包括光电耦合器件、光电探测器二极管、光敏三极管、光敏电阻器等。
◉ 基带芯片:用来合成即将发射的基带信号,或对接收到的基带信号进行解码。手机基带芯片主要由微处理器、信道编码器、数字信号处理器、调制解调器和接口模块组成。
◉ 调制解调芯片:调制解调芯片是实现调制、解调功能的芯片。调制是把变化着的基带信号转成对应变化着的载波的幅度(调幅)、频率(调频)或相位(调相)等模拟量。解调是把变化着的载波的幅度(调幅)、频率(调频)或相位(调相)等模拟量转成对应变化着的基带信号。调制解调芯片在无线电收发报机、无线广播电视、无线通信、宽带网络和光纤网络等方面广泛应用。
◉ 接口芯片:接口芯片相当于人的“四肢”,同样可以用于传递信息和数据。常见的接口芯片包括通用串行总线芯片(USB)、高清多媒体接口芯片(HDMI)。USB 是一个外部总线标准,是应用在 PC 和手机领域的一种接口技术,例如电脑的 USB 插口、手机的 USB 充电线。HDMI 是一种全数字化视频和声音发送接口,可以发送未压缩的音频及视频信号。例如笔记本电脑、电视、机顶盒就有 HDMI 接口。
◉ 传感器:传感器用来测量和感知现实世界中的各种物理量,例如磁力、运动、压力、温度、湿度、图像、声音等。主要包括 CMOS 图像传感器(CIS)、微机电系统(MEMS)、触摸 / 触控芯片(Touch)等。CIS 是将光学图像转换成电子信号的电子设备,相当于人的视网膜,其在手机、相机乃至卫星的拍摄成像中必不可少。MEMS 是按功能要求在芯片上把微电路和微机械集成于一体的系统,例如手机中的磁传感器、指纹传感器、环境传感器等。Touch 对环境变化具有灵敏的自动识别和跟踪功能,我们日常使用的手机和平板电脑就内含触控芯片。
2、按照功能分类
按照常见的使用功能分类,芯片可以分为:处理器芯片、存储器、传感器、电源管理芯片、通信芯片、接口芯片、专用集成电路(ASIC)。
按照功能划分芯片
其中,处理器芯片、存储器、传感器、通信芯片和接口芯片都在上文中介绍过,此处不再赘述。
电源管理芯片是电子设备系统中承担电能检测、分配、转换等电源管理职责的芯片,主要负责识别 CPU 的电源幅值,促进后期电路的功率输出,是所有电子设备中不可缺少的装置。常见的电源管理芯片主要包括低压差线性稳压器(LDO)、DC/AC 转换器芯片、电池管理芯片、驱动芯片、开关电源控制芯片。LDO 是输入 / 输出压差低的线性调整器,在限定电源和供电能力下提供稳定的输出电压;驱动芯片主要是通过电压、电流等信号的调整来驱动电子器件正常运行以及运行控制,包括 LED 驱动、LCD 驱动、电机驱动等;开关电源控制芯片中应用的电力电子器件主要为二极管、IGBT 和 MOSFET。
专用集成电路(ASIC):ASIC 被认为是一种为专门目的而设计的集成电路,是指应特定用户要求和特定电子系统的需要而设计、制造的芯片,也称全定制芯片。例如二代身份证里的芯片,一证对应着一人。
3、按照工艺制程分类
按照工艺制程分类,芯片可以分为:5nm 芯片、7nm 芯片、14nm 芯片、28nm 芯片……芯片的纳米数是制造芯片的制程,其实就是指 CMOS 器件的栅长,或指晶体管电路的特征尺寸,距离越小就能在同等大小的面积上集成更多的晶体管,芯片就能做得越复杂,越先进性能越好,功耗越低。
以手机芯片为例,电流从源极(Source)流入漏极(Drain),栅极(Gate)相当于闸门,主要负责控制两端源极和漏极的通断。而栅极的最小宽度(栅长)就是工艺制程。手机芯片的工艺制程越小,栅极宽度就越小,意味着闸门通道越小,单位面积所容纳的晶体管就会越多,芯片就越先进,性能就越强。
4、按照半导体材料类型分类
集成电路芯片常用的半导体材料是硅。随着半导体技术的提升,寻找新的半导体材料,成了一个重要方向。半导体材料目前已经发展至第三代。
第一代半导体材料:硅(Si)和锗(Ge)。
硅(Si):是目前应用最广泛的半导体材料,常见的用硅制成的芯片有 CPU、GPU、存储芯片等。
锗(Ge):是早期晶体管的材料,活跃在光纤、太阳能电池等领域。
第二代半导体材料:第二代半导体材料与第一代有本质的不同,第一代半导体的硅和锗属于单质半导体,也就是由单一物质构成。而第二代属于化合物半导体材料,由两种或两种以上元素合成而来,适用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件,是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料,广泛应用于卫星通讯、移动通讯、光通信、GPS 导航等领域。第二代半导体材料常见的是砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)。
第三代半导体材料:第三代半导体同样属于化合物半导体材料,具有更宽的禁带宽度、更高的导热率、更高的抗辐射能力等特性,更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率电子器件。第三代半导体材料常见的是碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)。目前,5G 基站、新能源汽车和快充等都是第三代半导体的重要应用领域。
虽然这几代半导体材料听起来像是迭代的产品,但其实它们并不是替代关系,它们的特性不同,应用的场景也不一样。
三代半导体材料对比表
智能手机中芯片的“门派”
智能手机中集成了大大小小上百颗芯片,这些芯片协同工作,才能带来非凡的使用体验。例如,手机屏幕显示各种颜色需要屏幕驱动芯片,发出声音需要音频处理芯片,存储照片需要存储芯片,指纹识别需要指纹识别芯片,手机电池需要电源管理芯片等。智能手机的芯片可以分为以下类型:
手机芯片的分类
最重要的手机芯片是应用处理器(AP),是手机里的最强大脑和神经中枢,AP 是在低功耗的中央处理器(CPU)的基础上扩展音视频功能的专用接口的超大规模集成电路。每年新手机发布时,厂商宣传的高性能芯片就是 AP,例如华为的麒麟系列、苹果公司的 A 系列、三星的 Exynos 系列等。
不同功能的实现对处理器性能的要求也不一样。因此,手机中还会有一些单独设计的协处理器,协助 AP 完成全面的手机功能,例如图像处理芯片(GPU)、音频处理芯片等。
手机的核心功能是通信,离不开射频芯片和基带芯片。射频芯片负责射频收发、频率合成和功能放大;基带芯片负责信号处理和协议处理。基带芯片可以合成即将发射的基带信号,并且解码接收到的基带信号。发射基带信号时,把音频信号编译成基带码;接收信号时,把基带码译码为音频信号。射频芯片将信号放大,通过手机天线,就可以将信号发射到空中,再通过通信网络传输给对方。5G 手机与 4G 手机的最大区别,在于是否支持 5G 网络。而 5G 网络的支持与否,主要由手机的基带芯片决定。基带芯片是用来合成即将发射的基带信号,或对接收到的基带信号进行解码的芯片,有点像手机的“网卡”、“猫(调制解调器)”。
手机的存储空间与存储芯片紧密相连。一般而言,我们常说的 8GB+128GB,前者 8GB 指的是运行内存(RAM),是手机在运行的软件和系统占用的内存,它的作用就是让手机可以同时运行多个 App,保障足够的运行内存,也是保障手机运行程序流畅的基础。RAM 的作用,可以概括成一句话:RAM 越大,可同时运行的程序就越多,一些需要大量存储空间的游戏也越流畅。同等 CPU 配置的情况下,RAM 越大手机运行就越流畅。后者 128GB 一般是指存储内存(ROM),其作用和电脑上的硬盘类似,用来存储手机运行时的缓存和用户存储的数据,它决定了手机能储存多少照片和视频,下载多少游戏。
除上述芯片之外,负责各种具体功能的芯片则分布在手机内的各个角落。例如电源管理芯片、屏幕触摸控制器、无线充电控制器等芯片。可以说,手机内部结构非常复杂,就像一座小型的城市,各种芯片各司其职,共同支撑起手机功能的实现,才有了如今通信、工作、娱乐各项全能的智能手机。
智能汽车中的芯片类别
在汽车的胎压监测系统 TMPS、摄像头、整车控制器、自动驾驶域控制器等模块,各种芯片是必不可少的。
汽车芯片可大致分为三大类:“微控制单元(MCU)”、“功率半导体”和“传感器”。
汽车芯片的分类
MCU 是微控制单元,主要是指处理器和控制器芯片。它在一颗芯片上集成了计算核心、存储核心和对接接口等模块,小到车窗升降,大到驾驶辅助都需要用到 MCU。汽车内部包含电子控制系统、信息娱乐系统、动力总成系统、车辆运动系统等,这些系统下面又存在着众多子功能项,每个子功能项背后都有一个控制器,控制器内部会有一颗 MCU。目前流行的“自动驾驶系统”也离不开 MCU。
汽车功率半导体主要用于汽车动力控制系统、照明系统、燃油喷射、底盘安全系统等,主要负责功率转换,多用于电源和接口。例如电动汽车用的 IGBT 功率芯片,以及场效晶体管 MOSFET 等。其中,功率半导体在传统燃油车中一般用于启动和发电等模块;新能源汽车需要大量的功率半导体才能实现车辆电压的频繁变化。所以在新能源汽车中功率半导体是用量最多的器件。
汽车传感器是汽车计算机系统的输入装置,其功能是将车速、各种介质的温度、发动机的工作状态等信息转化为电信号输给计算机,以便汽车处于最佳工作状态。汽车传感器常见类型有:发动机转速传感器、胎压传感器、水温传感器、车速传感器等。
分类是认识一切事物的基础。芯片是当前各界热议和关注的话题,我国也在大力发展芯片产业。本文对芯片的分类这样一个基本而重要的话题进行了探讨,希望能够对广大读者全面了解芯片产业和芯片的应用有一定的裨益。
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