对于这些产品,如果我们将其拆开,我们会看到如下图所示的绿色板。
有时是蓝色或黑色
众所周知,这种绿色的板子叫做电路板。更正式的名称是印刷电路板,也称为PCB(Board,国外有时也称为PWB、Wire Board)。
PCB上焊接有很多电子元件,如电容、电阻、电感等。
我们还可以看到有一些黑色的方块成分。
没错,这个元件很可能就是一个芯片(英文名称是chip)。
█ 芯片定义
芯片实际上是一个更通用的术语。
对于电子设备来说,它隐藏在里面,非常重要。它相当于汽车的发动机、人的心脏,所以被称为“芯”。从形状上看,它是一片一片的,故称“片”。合在一起,它们就是“筹码”。
一般来说,芯片就是集成电路( )。两者可以等同并互换使用。
集成电路相对容易定义。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一块基板上,形成微电路,称为集成电路。
如果这个衬底是由半导体材料(比如硅)制成的,或者集成电路是由半导体材料晶圆制成的,那么它就是半导体集成电路。
我们传统意义上的集成电路基本上都是指半导体集成电路。因此,有时半导体、芯片和集成电路这三个词经常互换使用。
如果仔细看的话,芯片和集成电路还是有一些区别的。
一些业内观点认为:
集成电路是电路,是基本单元,主要强调某种功能的实现,比如某种逻辑运算。在电路设计等场景中,这个词会用得比较多。
芯片是一个更宏观、更面向产品的概念。经过设计、制造、封装和测试后,可以直接使用的产品形态就被认为是芯片。在强调用途时,人们会更多地使用“芯片”这个词,比如CPU芯片、AI芯片、基带芯片等。
有人还将芯片定义为:“含有一个或多个集成电路、能实现特定功能的通用半导体元件产品”。换句话说,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就更明显了:
半导体包括:集成电路+分立器件+光电器件+传感器。
集成电路与其他三种的主要区别在于集成度。集成电路中晶体管的数量远多于分立器件、光电器件和传感器。另外,基材的材质一般也不同。
目前,光电器件、分立器件和传感器的市场规模合计仅占半导体市场总规模的10%左右。
因此,我们可以说:集成电路是半导体最重要的组成部分。
█ 芯片的分类
芯片是一组实现特定功能的电路。它具有模块化的特点,可以方便制造商快速设计和开发产品,降低开发难度,缩短开发周期。
几十年来,半导体技术在摩尔定律的指导下得到了快速发展。芯片的尺寸变得越来越小,里面容纳的电路越来越多,导致电子产品的尺寸、成本和功耗显着减小。
它不仅提高了我们的生活质量,而且引领了信息技术革命,推动了整个人类文明的进步。
有了芯片,就有了手机。
如今,芯片的应用范围非常广泛,并衍生出很多类别。
世界半导体贸易统计组织(World Trade,WSTS)的分类方法更加权威、官方。他们将所有集成电路类别分为:模拟()、微型(Micro)、逻辑(Logic)和存储器()。
在非官方层面,分类更加随意。
按照功能,我们常将芯片分为:计算芯片、存储芯片、通信芯片、传感芯片、能源芯片、接口芯片。
我们比较熟悉的芯片类型包括以下几种:
按照等级,芯片可分为消费级、工业级、汽车级、军工级和航天级。根据设计理念,还可分为通用芯片(CPU、GPU等)和专用芯片(AISC)。
我们还可以按照工艺流程来划分,比如大家常听到的28nm、14nm、7nm、5nm。或者,可以按照半导体材料来划分,比如硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)等,这些我们在讲芯片制造工艺的时候再介绍一下之后。
事实上,除了电气芯片之外,我们现在还开发了光学芯片(例如硅光子技术),它使用光而不是电流来传输信号。
从集成电路的角度来看,有很多分类。
按照制造工艺,集成电路可分为半导体集成电路和薄膜集成电路(薄膜集成电路采用金属、陶瓷等)。薄膜集成电路又分为厚膜集成电路和薄膜集成电路。
根据电路属性,我们还可以将其分为数字集成电路、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,处理数字信号。它在我们身边出现最多,如微处理器(CPU、GPU等)、数字信号处理器(DSP)和微控制器(MCU)等,它们都是数字集成电路。
模拟集成电路多用于传感器、功率芯片、运算放大器等,主要用于模拟信号的放大、滤波、解调、混合等功能。
混合信号集成电路是将模拟和数字电路集成在一块芯片上。您应该能够猜到模数(ADC)和数模(DAC)转换芯片就属于这一类。
根据芯片上集成的微电子器件的数量(规模),集成电路可分为以下几类:
更专业一点,按照导电类型,集成电路还可以分为双极集成电路和单极集成电路。
双极集成电路的制造工艺复杂,功耗大。代表性的集成电路有TTL、ECL、HTL、LST-TL、STTL等类型。
单极集成电路的制造工艺简单,功耗低。制作大规模集成电路很容易。代表性的集成电路有CMOS、NMOS、PMOS等。
以上名词将在后面小枣君介绍芯片工作原理时详细解释。
█ 芯片内部结构
正如我们之前提到的,这些芯片看起来都像黑色的方形薄片。
有时,它还带有银色金属盖(以增强保护并利于散热)。以我们的CPU为例:
CPU盖
CPU外观
芯片经过封装(芯片制造工艺中的一个工序)之后就变成这样了。
只有去掉“外壳”,我们才能真正看到芯片的内部核心。用显微镜放大,是这样的:
外圈是引脚(pin)。细线是引线。中间的方形部分是芯片的真实电路。
如果继续放大,看起来是这样的:

切换到3D效果,是这样的:
是的,它们都是三维的,有很多很多层,密密麻麻,就像一个超级迷宫或者未来城市。
图片上,一一相连。它们连接的对象是晶体管。
芯片中晶体管的数量通常代表了芯片的能力。晶体管越多,电路就越多,功能和计算能力就越强。现在很多厂商发布芯片的时候,总是强调芯片里有多少个晶体管,就是这个意思。
的 H100 GPU 拥有 800 亿个晶体管
芯片的范围从简单(相对而言)到复杂。有些复杂的芯片还分为不同的功能模块。这些模块共同组成一个系统,就成为SoC(on Chip,片上系统,片上系统)。
我们的手机主芯片,如高通骁龙、联发科天玑、华为麒麟等都是典型的SoC芯片。芯片包括CPU、GPU、APU、ISP、基带、射频等。
那么,问题来了,芯片中的晶体管为什么能够完成计算、存储等各种任务呢?
我们常说的逻辑门、、、PN结是什么?
待续…


