寫給小白的芯片半導體科普

我們在日常工作和生活中，經常會使用到各種各樣的電子或電器產品，例如電腦、手機、電視、冰箱、洗衣機等。

這些產品，如果我們把它拆開，都會看到類似下面這樣的一塊綠色板子。

有時候是藍色或黑色的

大家都知道，這個綠色板子，叫做電路板。更官方一點的名稱，叫印制電路板，也就是PCB（Printed Circuit Board，國外有時候也叫PWB，Printed Wire Board）。

在PCB上，焊接了很多的電子元器件，例如電容、電阻、電感等。

我們還可以看到，有一些黑色的方形元件。

沒錯，這個元件，很可能就是一塊芯片（英文名叫做chip）。

█ 芯片的定義

芯片，其實是一個比較籠統的叫法。

對于電子設備來說，它藏在內部，又非常重要，相當于汽車的發動機、人的心臟，所以叫“芯”。從形態來看，它是一片一片的，所以叫“片”。合起來，就是“芯片”。

通常來說，芯片就是集成電路（integrated circuit）。兩者之間可以劃等號，互相換用。

集成電路是比較容易定義的。通過特定技術，將晶體管、電阻、電容、二極管等電子元件集成在單一基板上，形成一種微型電路，就叫集成電路。

如果這個基板，采用的是半導體材料（例如硅），或者說，集成電路由半導體材料晶圓制造而來，就屬于半導體集成電路。

我們傳統意義上說的集成電路，基本上都是指半導體集成電路。所有，有時候半導體、芯片、集成電路三個詞，也經?；煊?。

如果細摳的話，芯片和集成電路也還是有一些區別的。

部分行業觀點認為：

集成電路是電路，是基礎單元，主要強調實現某一功能，例如某一邏輯運算。在電路設計等場景，會更多用到這個叫法。

而芯片，是一個更宏觀、更產品化的概念。經過設計、制造、封裝和測試后，形成的可直接使用的產品形態，被認為是芯片。在強調用途的時候，人們會更多采用“芯片”的叫法，例如CPU芯片、AI芯片、基帶芯片等。

也有人將芯片定義為：“包含了一個或多個集成電路的、能夠實現某種特定功能的通用半導體元件產品”?；蛘哒f，芯片是半導體元件產品的統稱。

相比之下，半導體和集成電路的區別，更清晰一些：

半導體包括：集成電路+分立器件+光電子器件+傳感器。

集成電路和另外三個的主要區別，在于集成度。集成電路的晶體管數量，遠遠大于分立器件、光電子器件和傳感器。另外，襯底材料一般也不一樣。

目前，光電子器件，分立器件和傳感器的市場規模加在一起，也僅占到全部半導體市場規模的10%左右。

所以，我們可以說：集成電路是半導體的最重要組成部分。

█ 芯片的分類

芯片是一套實現特定功能的電路。它具有模塊化的特點，可以方便廠商快速地進行產品設計和研發，降低開發難度，縮短開發周期。

幾十年來，半導體工藝在摩爾定律的指引下飛速發展，芯片的尺寸越來越小，里面容納的電路越來越多，使得電子產品的體積、成本以及功耗大幅下降。

它不僅改善了我們的生活品質，也引領了信息技術革命，推動了整個人類文明的進步。

如今，芯片形成了非常廣泛的應用，也衍生出了很多類別。

世界半導體貿易統計組織（World Semiconductor Trade Statistics，WSTS）的分類方式較為權威、官方。他們將所有集成電路類別，分為：模擬（Analog）、微型（Micro）、邏輯（Logic）和存儲器（Memory）。

非官方層面，分類就比較隨意。

按照功能，我們經常將芯片分為：計算芯片、存儲芯片、通信芯片、感知芯片、能源芯片、接口芯片。

我們比較熟悉的芯片類型，有以下幾種：

按照等級，芯片又可以分為消費級、工業級、汽車級和航天級等。按照設計理念，還可以分為通用芯片（CPU、GPU等）、專用芯片（AISC）。

我們還可以按照工藝制程來分，例如大家經常聽說的28nm、14nm、7nm、5nm?；蛘?，按照半導體材料來分，例如硅（Si）、鍺（Ge）、砷化鎵（GaAs）、氮化鎵（GaN）等。這些我們在后面講芯片制造流程時，都會再介紹。

事實上，現在我們除了電芯片之外，還發展出了光芯片（例如硅光技術），用光來代替電流來傳遞信號。

站在集成電路的角度，還有很多種分類。

按制作工藝，集成電路可以分為半導體集成電路和膜集成電路（膜集成電路用的是金屬和陶瓷等）。膜集成電路又分為厚膜（thick-film）集成電路和薄膜（thin-film）集成電路。

按照電路屬性，我們還可以分為數字集成電路、模擬集成電路和混合信號集成電路。

數字集成電路，顧名思義，處理的都是數字信號。它在我們身邊出現得最多，例如微處理器（CPU、GPU等）、數字信號處理器（DSP）和微控制器（MCU）等，都是數字集成電路。

模擬集成電路，較多用于傳感器、電源芯片、運放等，主要用于模擬信號的放大、濾波、解調、混頻等功能。

混合信號集成電路，是模擬和數字電路集成在一個芯片上。大家應該能猜到，模數（ADC）和數模（DAC）轉換芯片，就屬于這類。

按照芯片上所集成的微電子器件的數量（規模），集成電路可以分為以下幾類：

更專業一點，按導電類型，集成電路還可以分為雙極型集成電路和單極型集成電路。

雙極型集成電路的制作工藝復雜，功耗較大，代表集成電路有TTL、 ECL、HTL、LST-TL、STTL等類型。

單極型集成電路的制作工藝簡單，功耗也較低，易于制成大規模集成電路，代表集成電路有CMOS、NMOS、PMOS等。

上面這些名詞，后續小棗君在介紹芯片的工作原理時，都會詳細解釋。

█ 芯片的內部構造

前面我們提到，芯片看上去都是黑色方片狀。

有時候，它還會有銀色的金屬蓋板（加強保護，也利于散熱）。例如我們的CPU：

CPU蓋板

CPU外觀

芯片是經過封裝（芯片制造流程的一道工序）之后，才變成了這樣。

我們把“殼”拿掉，才能真正看到芯片的內部核心。用顯微鏡放大來看，是這樣的：

外圍一圈，是引腳（針腳）。細細的線，是引線。中間方形的部分，才是芯片真正的電路。

如果繼續放大來看，是這樣的：

換成3D效果，是這樣的：

沒錯，都是立體的，有很多很多層，密密麻麻，就像一個超級迷宮，也像一座未來城市。

圖上，一根一根的，都是連線。而它們連接的對象，就是晶體管。

芯片中晶體管的數量，通常代表了這個芯片的能力。晶體管越多，電路就越多，功能和算力就更強?，F在很多廠商發布芯片，總是會強調芯片里面擁有多少多少晶體管，就是這個意思。

芯片有簡單的（相對來說），也有復雜的。一些復雜的芯片，還會分為各個不同的功能模塊。這些模塊共同組成一個系統，就變成了SoC（System on Chip，片上系統，系統級芯片）。

我們的手機主芯片，例如高通驍龍、聯發科天璣、華為麒麟，都是典型的SoC芯片。芯片上包括了CPU、GPU、APU、ISP、基帶、射頻，等等。

那么，問題來了，芯片里面的晶體管，為什么能夠完成計算、存儲等五花八門的工作？

我們常說的邏輯門、MOSFET、FinFET、PN結，又是啥意思呢？

未完待續……