程序员看芯片行业
? ? ? ? 本來也算是一個學電路出身的，但后來成為一名純軟件程序員，近些日子，突然對芯片行業產生興趣，或許在職業生涯的末段，更換一把領域，跨界到芯片行業。現在看來，并不是完全不可能。于是，對芯片行業開始關注了起來。
????????芯片到底涉及了哪些知識，如何入門芯片？
????????芯片到底是什么？集成電路（IC）是什么？芯片和半導體，集成電路有什么關系？
????????現在是一個大談元宇宙的時代，元宇宙我們可以簡單認為是數字世界。
? ? ? ? 而我們目前就是生活在一個物理世界和數字世界混合的時代，芯片正是這兩個世界的連接器！
????????這是怎么說的？難道不應該是計算機，手機，物聯網設備？這樣說也對，但支撐這些電子設備的核心就是芯片，簡單的說，將物理世界的感受轉換成數字信號，就是靠芯片。
芯片本質是什么？
? ? ? ? 芯片 = 半導體 + 集成電路?
????????數字世界，程序員都明白，最底層就是 0，1 組成的，而所有的存儲，運算都是基于0，1的運算。學過數字脈沖的人會知道，0，1 的運算也就是與，非，或，與非，異或等幾種運算。而數字脈沖電路可以進行簡單模擬，構成這幾種運算。
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? ? ? ? 如果再對這些電路進行組合，就可以完成加法減法運算，進而完成更復雜的運算。
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? ? ? ? 好了，電路講到此為止，我講這些，只是為了說明以下兩點：
? ? ? ? 1:? 所有數字運算都可以通過電路來實現。
? ? ? ? 2:? 計算機的數字運算最終可推演到0和1的運算。
? ? ? ? 我們來看看半導體的定義：
? ? ? ? 半導體是一種加壓可以導電，不加壓絕緣的物體！這種特性可以很方便的模擬通與不通，0和1 的狀況。
? ? ? ? PS：?導體導電，絕緣體不導電，而半導體，在不同電流控制下可以表現出不同的導電，或者不導電的特性，這個特征和真空電子管做電信號放大器的特性吻合，因此半導體可以被用來做固體電子元器件的材料。????????
?如上圖：柵極在加電的情況下，會連通。
注意：溝道channel 實際上是速度的瓶頸，越窄，效率越高。這就是我們指的芯片的10納米，7綱米的寬度。寬度越小，速度越快。
????????這些通道，我理解是用光刻機刻出來的，也就是我們的電路不是用元器件組裝的，而是通過光刻機上刻出來。所以，光有晶體不行，還需要集成電路，只不過這個電路是通過光刻機在晶體上畫出來的。
????????集成電路就是由大量晶體管搭建的。嚴謹一點說，集成電路的最小單元是邏輯門，邏輯門是由晶體管搭建而成。可以說，半導體行業，就是拿晶體管去堆集成電路的行業。
????????大家都聽過曹沖稱象的故事，曹沖很聰明，知道用石頭來置換大象，方便的稱出了大象的重量。到了現代社會，我們不再用置換法，而是將重量變成壓力，而壓力讓電子芯片去感知，這樣，通過芯片來獲得大象的重量。
? ? ? ? 這個例子還是想要說明，芯片是物理世界和數字世界的連接器。
說到芯片，必須說到摩爾定律
??英特爾公司聯合創始人戈登·摩爾提出：
????????半導體芯片上集成的晶體管和電阻數量將每隔 24 月增加一倍！
?上面講過了晶體管的大小取決于柵極通道的寬度，就是我們一直在提的 5nm，7nm，10nm……
我們上面講過，晶體的大小是有極限的，這決定了柵極通道的寬度也有理論極限，那是不是摩爾定律快要失效了呢？
也對也不對，考硅晶體這種材料，再考慮一些其它因素（熱量，量子力學），大概理論極限是1nm（目前臺積電已經在生產 5 nm 的芯片）。
????????但是，先別忙，其實并不是這樣。后面會講到。實際上，芯片在100年內，都會一直往前走，前景一片大好。
芯片技術為什么會被KBZ，難在哪里？
? ? ? ? 眾所周知，我國的芯片產業被KBZ，到底芯片有多難，人家一K我們就真的被K住不能動彈了。
? ? ? ? 首先，我們被K的是高端芯片，什么是高端芯片？就是手機使用的，面積小，運算量大，功耗低的芯片，也就是那種低于 10nm的芯片。
? ? ? ? 難在哪里？
? ? ? ? 首先是EDA軟件，好了，做為軟件開發人員，看到軟件二字覺得親切了。但是注意，這個軟件要解決的是布電路圖，是涉及上億個元器件的電路圖，你想想你要處理上億的數據，估計會頭疼，一次電路布線可能會算上一天，程序稍微差一點，那可能就是幾個月（沒法用了）。這種軟件在全球也就幾家公司做得好。我覺得普通的軟件開發人員確實是不容易搞定這個。現在做應用開發的，已經沒有多少是使用 C 編程的了，沒人會在編程時去扣 malloc 的內存字節數和考慮哪種指令運算更快（估計得對計算機最低層的運算原理有較深的認識）。
????????最近我接觸到一個資深的芯片架構師（前HW美研所的負責人），他們正在做籌備做EDA軟件（歷害了），據他說，他從M國帶了 8 個人回來，全是博士以上業內人士，其中有6個是用來寫EDA軟件的。因為，國內的工程師基本搞不定這事兒。
? ? ? ? 然后是光刻機，這個大家都聽說過，要在那么小的面積上完成這么大規模的線路的刻制，想想都難。對于10nm以下的需求，好象全球就只有荷蘭的ASML可以搞得定，難度可想而知。
? ? ? ? 接著是制作工藝，目前全球也就臺積電和三星的代工廠站在頂端，具體原因我也說不清楚，總之，國內最頂端的中芯國際還差一些火侯。
? ? ? ? 另外，芯片的底層架構，ARM，X86 這些理論專利實際上都在日本和美國人手里。我們目前還是直接拿來用。所以，國內大多數技術團隊做設計的居多。
? ? ? ? 我們來看看芯片整個的制作過程：
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國內公司目前在整個產業鏈里基本排不到前三，有些領域還是空白。
所以，當我們說到國內有多少企業加入芯片行業，要有清醒的認識，實際上我們說的可能更多的是設計環節（包括華為，中興，阿里，百度，字節，騰訊……）
不搞定一些關鍵環節，達成反制的效果，還是分分鐘會被K。那是不是一定要全盤搞定呢？實際不一定，即使強如M國，他也沒有搞定所有環節。
那我們具體來看看M國強在哪里？為啥他可以隨便K其它國家？
我們這里不講ZZ，只講技術優勢：
1: 底層技術。以最原理層的加法器專利為例：美國掌握了各種優秀的加法器設計，包括100晶體管的，80的，50的，涵蓋了高性能和低功效的所有需求。也就是說，只要你用，你就必須要交專利費。甚至，我可以不授權你使用。
2: EDA軟件，全球三家公司覆蓋了基本所有的EDA軟件市場，cadence, synopsys 是美國公司，第三家mentor graphics 雖然剛被西門子收購，但有很深的美國背景，總部現在還在美國。
3: 芯片加工和封控 沒有被美國壟斷，但每一個關鍵工藝技術中都有美國的核心專利和資本力量。
世界前五的半導體公司，有三家是美國。
4: 光刻機公司ASML 是荷蘭的，但它最核心的技術此外光源是M國公司的，它加入了M國主導的一個聯盟（有投名狀），它背后的第一第二大股東都是M國資本。所以，美國說，你不能賣光刻機給中國，他們心里并一定愿意，但行動上只能照做。
5: 最后說到芯片晶圓制作，臺積電，它的生產線上有大量M國半導體公司的產品，加工技術也繞不過M國，它的最大股東是M國花旗銀行。
所以，大家可想而知，M國在芯片領域的影響力，它確實是可以為何欲為。
中國如何應對嗎？我不知道。
芯片的技術發展，如何延續摩爾定律？
除了提高硅晶體管做小，減小溝道寬度以外。還有哪些方法可以提升？
1: 環繞柵晶體管技術：
? ? ? ? 這其實是為了解決漏電的問題，因為晶體的大小有極限，一旦溝道太窄，就容易產生干擾，發生漏電。采用按此方案可以解決到 3 nm 及左右不會有漏電問題。
? ? ? ? 之前的晶體管器件采用FinFET（中文叫“鰭式晶體管”），鰭就是魚背上的那個豎起來的鰭。這種立體晶體管能夠加強柵極對溝道的控制能力，漏電問題變小了。但解決問題的極限差不多是7nm，再小就有漏電問題了。
????????原理：一般來說，器件受控面積越大，柵極對溝道的控制能力就越強。環繞柵晶體管把柵極完全把溝道圍了起來，這就實現了對溝道最大程度的控制。
2: SoC 片上系統
????????System-on-Chip，意思是在一顆芯片上集成一個完整的電路系統，比如：手機上就一顆芯片就是Soc芯片，它上面集成了CPU，GPU，存儲，音視頻處理。
????????我們用華為海思的麒麟990這款當今市場上最先進的手機處理器芯片舉例，它里面集成了8核CPU、16核GPU，還有3核NPU，也就是神經網絡人工智能模塊，還有高速閃存控制模塊、圖像處理模塊、音頻和視頻處理模塊等等，甚至它還把5G模塊集成到了同一顆芯片上。
? ? ? ? 我理解因為在一個小面積芯片上，集成了更多的功能，也算是提升了性能吧。
3: Sip 系統級封裝
? ? ? ? System-in-Package，和SoC不同，一個封裝里有好幾個芯片，做工不同，每個芯片實現自已不同的功能，Sip的工藝難度也就低了很多。
PS：不管理SoC 還是 Sip，對EDA的軟件提出了更高的要求。
綜上所述，解決性能問題，有兩條路，
????????一條是自下而上，提高單個晶體管的性能（如：FinFET，GAAFET環繞柵極），
? ? ? ? 另一條是自上而下，提高系統集成的能力，提高整體性能（如：SoC，Sip）。
芯片領域的熱點和前沿技術
AI芯片：
? ? ? ? CPU是算是可以控制的通用芯片，面向并行運算或者圖形處理的場景，CPU的效率就比較低了，于是，出了GPU，它在這個層面，變成了專用芯片。
? ? ? ? 在AI領域，因為更多使用并行運算，所以，第一選擇是GPU。
? ? ? ? 后來，出了FPGA （專業可編程邏輯陣列），因為，在并行計算領域，實際上GPU已經是一顆通用芯片了，所以，靈活度不夠。FPGA可以針對不同的AI問題，做一些定制。通過修改內部的器件連接方式，可以構成不同功能的芯片，這是它的強大之處（但，FGA的弱點也不少，價格高，性能，功耗，速度和芯片面積上都還有提升空間），所以，FPGA是AI領域的專用芯片。
? ? ? ? 但是，FPGA實際上仍然是需要重新燒錄的，定制的僅僅是電路器件，并不一定能滿足所有變動的需求，而且性能不高。好了，最后就要說到ASIC了，就是專門定制的芯片，比如：Google有定制TPU。這是性能最高的專用芯片，當然，成本也是相當的高了。
新原理器件：
? ? ? ? 不用硅行不行？
????????比較有希望的是碳納米管或者石墨烯這類低維材料，它們最大的優勢是電子在其中的傳輸速度比在硅材料當中要快得多。
? ? ? ? 還有自旋器件，自旋是電子天然具有的一個物理維度，是量子計算的核心。其實自旋在經典計算中也有大用處。你可以這么理解，自旋就是電子在順時針或者逆時針自轉，這其實就可以代表0和1嘛。所以，自旋器件的開關，就不要電子在兩個“地鐵站”之間流動了，只靠電子自轉的翻轉就行了。
????????不過這些新材料和新結構的工藝難度非常大，尤其是如果想要做出幾億，甚至幾十億個器件規模的集成電路，還要保證均勻性、可靠性，非常困難。
可重構芯片
? ? ? ? 通過更改軟件來變化硬件的功能，這是一種美好的愿望吧？
????????因為一顆芯片就可以應對大量不同的場景，就有足夠的銷量來攤平開發成本，可重構芯片技術是當今最前沿的領域之一，未來十年，這個領域一定會有很大的突破，算是FPGA的一種升級？? ? ??
經典芯片和量子計算混合
? ? ? ? 這個首先要明白量子計算是什么。量子計算并不是要替代經典計算機，而是一種補充，因為量子計算還不成熟。
? ? ? ? 基于經典芯片的人工智能EDA軟件，對于芯片本身的布線大有用處。或許有一天，可以讓AI來制作AI芯片。
類腦芯片
? ? ? ? 人腦的運算方式與經典芯片不同，電腦是馮諾依曼體系，運算和存儲是完全分離（想不清楚的，去看看三體中秦軍模擬集成電路）。
????????最新的技術發明了阻變存儲器。
????????所謂阻變是說器件的電阻會發生變化，電阻值會根據流過的電流來改變，換句話說就是你上一次的運算結果會以電阻值的形式保存在這個電阻里，來影響我下一次的計算。
中國芯片領域的現狀
? ? ? ? 中國芯片市場占全球 1/3，但產量只占 5%。
? ? ? ? 中國到底有多少廠商在做芯片，在做什么領域，我們來捋一下。
? ? ? ? 芯片制造，封測廠——中芯，華力微，長江存儲，紫光展稅，長鑫科技……
? ? ? ? 芯片設計——華為，中興，阿里，百度，OPPO，小米，海爾，格力，比亞迪（可能還有騰訊，節字等），這塊可能算是落后得比較少的領域……
? ? ? ? 汽車智能——地平線，芯馳，芯擎科技……
? ? ? ? 數據處理器（DPU）——珠海星云智聯，云豹科技……
? ? ? ? AI芯片和GPU——寒武紀，壁仞，燧原，沐曦，摩爾線程、登臨……
? ? ? ? 小芯片——恒玄科技（耳機），芯翼信息科技、上海移芯通信……
????????好了，上面列了一大堆，都只是芯片這個行業的了解，和實際的芯片技術無關，剛剛入門，需要進一步學習。
總結
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