这些芯片知识，你知多少
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關于芯片，我想大家應該不陌生，因為這兩年有關芯片的話題經常登上各大媒體的熱搜榜。我們聽到最多的就是芯片短缺，某某行業或某某公司又受了影響。與此同時，芯片的出貨量是年年創新高。
那么，你了解什么是芯片嗎？它有哪些種類？它會如何發展？帶著這些問題，我學習了一些有關芯片知識的在線課程，算是對芯片有了一個基本的認識。學完之后，我最大的感慨就是芯片確實非常的高端，要做好芯片確實非常的困難，我們都有必要了解芯片及整個產業。
芯片的本質
我們先來看下面兩張芯片的圖片，第一張是沒有封裝的芯片，第二張是經過封裝之后的芯片。
簡單地說，芯片的本質就是半導體集成電路。這里，我們可以分兩部分來理解：首先，制作芯片的材料必須是半導體，這是最基本的要求；其次，芯片必須是集成電路，單個的元器件不能稱之為芯片。在半導體之前，人類只能用機械控制電；但有了半導體之后，人類就可以直接用電來控制電，控制能力強了很多。
我們看到芯片周圍有很多的引線，這些引線分成兩類：一類是負責供電，包括地線和電源線；另一類負責輸入、輸出信號。
芯片是由一個個的晶體管組成的，單個晶體管的模型如下圖所示：
從上面這個圖片中，我們可以看到，一個晶體管由源極、漏極和柵極組成，其中源極和漏極就像兩個被隔開的地鐵站，被一個溝道分離開了。當柵極向下接觸到半導體襯底時，就像大門被關閉一樣，所有的物體（主要是電子）都不能通過；當柵極向上離開半導體襯底時，就像大門被打開一樣，電子就可以通過。晶體管的這個特性是芯片功能的基礎，但要想實現復雜功能，光有一個晶體管還不夠，必須得把很多晶體管連成集成電路才行。另外，我們常聽說的7納米、5納米，說的就是這個溝道的長度。
通過上面的描述，我們也可以這么說，芯片就是用簡單的晶體管開關構成的一個復雜集成電路系統。下面的圖片展示了這個電路系統的復雜性：
芯片的分類
對照我們人體的組成，我們將芯片分為五種類別，如下圖所示：
各類芯片的具體說明如下：
第一類，計算芯片（對應人的大腦），如CPU、GPU、FPGA、MCU等。
第二類，存儲芯片（對應人的腦皮），如：DRAM、SDRAM、ROM、NAND、FLASH等。
第三類，能源芯片（對應人的心臟），如：電源芯片、DC-AC、LDO等。
第四類，通信芯片（對應人的手腳），如：藍牙、WiFi、NB-IOT、寬帶、USB接口、以太網接口、HDMI接口等。
第五類，感知芯片（對應人的五官），如：MEMS、指紋、麥克風、攝像頭等。
芯片的優勢
芯片已經完成融入了人類的生活中，它有如下四個優勢是其他器件無法比擬的：
第一，芯片是數字化信息的完美載體。有了半導體集成電路，我們就可以繞過機械維度，直接去操控微觀的電子來處理信息；另外，把大量晶體管，用標準化的工藝集成到一個芯片上之后，很容易就能實現復雜的運算功能。現在很難想象一個沒有芯片的世界會是什么樣子的。
第二，芯片具有超高的可靠性。它的可靠性表現在這幾個方面：從科學原理上它就是可靠的，芯片的制作工藝要求非常高，以及芯片的制造設備具有極高的精度和穩定性。此外，就算真的出現了問題，也有辦法補救（如通過軟件升級解決）。
第三，芯片能不斷高速進化。根據摩爾定律，從誕生到今天60多年時間里，每18個月，芯片的性能就會提高一倍。雖然經過了這么多年，但到目前為止，這個定律都還是有效的。
第四，芯片技術和需求形成正反饋。芯片用得越多，對其的需求越大，而且還能不斷刺激人類產生新的需求。芯片技術和需求也形成了正反饋，相互推進。
芯片制作流程
芯片的制作分為三個步驟：設計、加工和封測，具體如下圖所示：
整個制作過程涉及到兩個關鍵的部件，一個是EDA軟件，另外一個就是大家常聽說的光刻機。EDA軟件和光刻機都非常的專業，非大部分公司所能開發，大家可以到網上去了解相關信息。
芯片的發展
芯片的工藝發展非常快，下圖展示了各個重要節點的時間：
可以看到，目前的工藝已經超越了5nm，正在向著更小的尺寸邁進。
芯片的發展也不是無窮無盡的，它受到如下四方面的限制：
第一，單個晶體管器件的理論極限。一個硅原子的直徑是0.2納米，而研究表明，硅晶體管的極限尺寸在1納米左右。
第二，熱力學限制。熱力學限制，就是芯片工作溫度的影響。工程實踐表明，芯片工作溫度引起的一點點噪聲就可能讓芯片出錯。
第三，量子力學限制。量子力學極限就是量子隧穿帶來的不確定性，當溝道縮小到很短，量子效應就開始出現了。
第四，集成帶來的更多限制。有一個系統限制對芯片技術發展趨勢非常重要，就是功耗；集成密度、時鐘頻率、電源電壓、布線層數等等，每個參數都會限制芯片整體的性能。
芯片前沿技術
未來芯片技術會向著如下四個方向發展：
第一，新原理器件。主要有兩種：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；自旋器件，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。
第二，可重構芯片。芯片內部的電路結構，可以根據軟件進行動態調整，對不同的軟件都力求達到定制化硬件的性能；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。
第三，經典芯片和量子計算混合。在未來，基于經典芯片的人工智能EDA軟件，或者是經典加量子混合計算的人工智能EDA都會逐步成熟，給芯片技術帶來前所未有的推動。
第四，類腦芯片。有研究表明，99%的計算時間和能耗都花在了數據的傳輸上，真正用于計算的只有1%；類腦芯片的關鍵點就是模擬人腦行為，存算一體。
總結
芯片技術是一門高精尖技術，芯片產業是當今世界全球化最徹底的產業。作為信息行業的從業者，不管我們從事的是哪方面的工作，都應該了解芯片技術及相關產業，了解芯片在我們的學習和生活中的作用。
希望這篇文章能夠讓大家對芯片有一個基本的了解，以及對芯片產業有一個基本的認識。也歡迎大家分享自己對芯片的認識和理解，我們共同進步。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的这些芯片知识，你知多少的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
