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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。
有时候是蓝色或玄色的
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,也便是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,有一些玄色的方形元件。
没错,这个元件,很可能便是一块芯片(英文名叫做chip)。
█ 芯片的定义
芯片,实在是一个比较笼统的叫法。
对付电子设备来说,它藏在内部,又非常主要,相称于汽车的发动机、人的心脏,以是叫“芯”。从形态来看,它是一片一片的,以是叫“片”。合起来,便是“芯片”。
常日来说,芯片便是集成电路(integrated circuit)。两者之间可以划等号,相互换用。
集成电路是比较随意马虎定义的。通过特定技能,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,采取的是半导体材料(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。所有,有时候半导体、芯片、集成电路三个词,也常常混用。
如果细抠的话,芯片和集成电路也还是有一些差异的。
部分行业不雅观点认为:
集成电路是电路,是根本单元,紧张强调实现某一功能,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,是一个更宏不雅观、更产品化的观点。经由设计、制造、封装和测试后,形成的可直策应用的产品形态,被认为是芯片。在强调用途的时候,人们会更多采取“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。
比较之下,半导体和集成电路的差异,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。
集成电路和其余三个的紧张差异,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。其余,衬底材料一样平常也不一样。
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%旁边。
以是,我们可以说:集成电路是半导体的最主要组成部分。
█ 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,降落开拓难度,缩短开拓周期。
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,里脸庞纳的电路越来越多,使得电子产品的体积、本钱以及功耗大幅低落。
它不仅改进了我们的生活品质,也引领了信息技能革命,推动了全体人类文明的进步。
有了芯片,才有了手机。
如今,芯片形成了非常广泛的运用,也衍生出了很多种别。
天下半导体贸易统计组织(World Semiconductor Trade Statistics,WSTS)的分类办法较为威信、官方。他们将所有集成电路种别,分为:仿照(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,我们常常将芯片分为:打算芯片、存储芯片、通信芯片、感知芯片、能源芯片、接口芯片。
我们比较熟习的芯片类型,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,例如大家常常听说的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,都会再先容。
事实上,现在我们除了电芯片之外,还发展出了光芯片(例如硅光技能),用光来代替电流来通报旗子暗记。
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、仿照集成电路和稠浊旗子暗记集成电路。
数字集成电路,顾名思义,处理的都是数字旗子暗记。它在我们身边涌现得最多,例如微处理器(CPU、GPU等)、数字旗子暗记处理器(DSP)和微掌握器(MCU)等,都是数字集成电路。
仿照集成电路,较多用于传感器、电源芯片、运放等,紧张用于仿照旗子暗记的放大、滤波、解调、混频等功能。
稠浊旗子暗记集成电路,是仿照和数字电路集成在一个芯片上。大家该当能猜到,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繁芜,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大略,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,后续小枣君在先容芯片的事情事理时,都会详细阐明。
█ 芯片的内部布局
前面我们提到,芯片看上去都是玄色方片状。
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外不雅观
芯片是经由封装(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。
如果连续放大来看,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。而它们连接的工具,便是晶体管。
芯片中晶体管的数量,常日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,便是这个意思。
英伟达的H100 GPU,拥有800亿晶体管
芯片有大略的(相对来说),也有繁芜的。一些繁芜的芯片,还会分为各个不同的功能模块。这些模块共同组成一个别系,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,都是范例的SoC芯片。芯片上包括了CPU、GPU、APU、ISP、基带、射频,等等。