芯片=电脑 CPU？打住！它远没有你想象的简单

如果提到芯片，很多人第一反应可能就只有电脑里的 CPU。那么芯片到底是什么？在网络中进行搜索，芯片指的是一种集成电路，在电子学中是一种将电路（主要包括半导体设备，也包括被动组件等）小型化的方式，并时常制造在半导体晶圆表面上。简单来说，芯片就是半导体上单种或多种集成电路形成的产品 ，而集成电路并不像我们中学学到的电线电路，而是一些微型电路。

由集成电路和芯片构成的主板。图库版权图片，不授权转载

“芯片”的“芯”指的是它的重要性。在现代社会中，很多芯片扮演着“大脑”的作用，作为设备的核心，芯片的使用让设备变得“智能”。而“芯片”的“片”则代表它的形态，芯片大部分都是片型，这种高度集成的形态便于将其放入各种设备中。

芯片的应用非常广泛，因此其分类也十分复杂。提及芯片，大部分人可能会单纯将芯片和电脑 CPU 划上等号。然而，芯片所涵盖的范围远不及此，电脑 CPU 只是芯片所发挥的各种功能中的一种。

01

芯片的分类

按照功能分类，芯片可以分为 4 种，分别是：

以电脑的核心 CPU（中央处理器）、GPU（图像处理的芯片）为代表的计算芯片；以内存芯片 ROM（只读存储器）、DRAM（动态随机存储器）为代表的存储芯片；以相机核心 CMOS（互补金属氧化物半导体存储器）为代表的感知芯片；以 AC/DC 电源管理芯片为代表的能源芯片和以 5G 为代表的通信芯片等。

可以这么说，人们日常生活的方方面面都离不开芯片。

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按照不同应用场景分类，芯片还可以分为消费级、工业级、汽车级和军工级芯片。除性能外，它们的主要区别在于工作温度及环境承受能力。

比如，我国嫦娥四号的 CPU 的运算速度只有你手机芯片的几十分之一，可能你会感到奇怪，为什么如此先进的登月技术却用这么“慢”的 CPU 呢？这是因为二者的工作环境存在差异 。

手机芯片安稳“躺”在主板上，室温稳定，远离水、磁，还有散热片防止它“发烧”，这样的工作环境，完全可以用“舒适”来形容。我们好吃好喝的照顾，它还偶尔会抽风死机。而嫦娥四号的 CPU 所处的太空环境温差达到 300℃，而且时时刻刻都暴露在致命的宇宙辐射下。因此，嫦娥四号的 CPU 需要从材料、系统、结构等各个方面进行特殊设计，从而使其能够与宇宙环境作“对抗”。

因此，对于军工产品或航天设备来说，保证芯片在不同复杂环境条件下的工作稳定性和可靠性才是最重要的考虑因素。

嫦娥四号，图片来源：中华人民共和国中央人民政府官网

如今，芯片的制程工艺 越来越受到到人们的重视。所谓的“几纳米工艺”，以前通常指的是芯片中晶体管的栅极长度，数字越小就代表着单位面积芯片的晶体管集成度越高，其性能也越强。然而，随着芯片的晶体管数量越来越多，人类在 CPU 上的工艺进步逐渐放缓，现在的制程和栅极长度已无法匹配 。

02

从模拟信号到数字信号

开启自然界的数字化篇章

自然界的事物都是连续的，如连续的时间，连续的水流，“连续”的长度。最初科学家的发明也是“连续的”，例如，有线电话和无线广播都是直接传送和源头一模一样的声音波形，早期的胶片摄影依靠化学材料感光，类似于人眼的频谱映射，从而产生图像。这种“连续”信号我们将其称为“模拟信号 ”。模拟信号完整捕捉或还原了自然，其看似是一个很完美的技术。然而，现实情况果真如此吗？

信号在传输过程中要经过许多环节的处理和转送，在这些过程中，模拟信号会受到干扰 ；同时，如果是有线传输，其线路附近的电气设备也会产生电磁干扰。如果是人类所追求的无线传输，开放环境由于存在更多的不可抗力因素，使得模拟信号几乎无法使用，严重影响通讯质量。为此，人们想了许多办法努力恢复模拟信号，但都无法从根本上解决干扰的问题。

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不过，后来人类发现，如果将连续的模拟信号转化成离散的数字信号 ，问题就会迎刃而解。虽然相较模拟信号而言，离散的数字信号天生就存在误差和分辨率，但由于数字信号在运输过程中具有天生的优势，它可以大大缓解信号的干扰与噪声。因此，困扰人们多年的问题得到了解决。

从发明数字信号这一刻开始，自然界的数字化进程便开始了。想要得到连续的图像？可以！将图片拆解为一块一块像素，再将每个像素的颜色分为红绿蓝不同亮度的组合，图像就可以变成无数二进制数字。想要得到连续的声音？也可以！先将连续信号离散化，然后将每部分用二进制表示，二进制的位数反映了声音波形的精度，最后再进行编码即可变成数字。

模拟信号（上）和数字信号（下）

几乎自然界所有物体都可以被我们在数字世界模拟出来，最终世界“归于”1 和 0 两个数字。所以那句“世界是你们的，也是我们的，但终究是程序员的”很有道理。

03

半导体

芯片“挥洒文采”的“白纸”

正如诗人满腹经纶的文采需要挥洒在白纸上，芯片上的逻辑电路也需要这样一张“白纸”，去展现它的“实力”。而半导体——主要是由高纯度硅制作的硅片，就可以作为“白纸”，让电路设计师在上面肆意挥洒智慧，制作出各种功能的高性能芯片。因此，在芯片中，半导体和集成电路同样重要。但你有没有想过，为什么人们会选择半导体作为“白纸”呢？为什么人们在众多半导体中又选择了“硅”这种元素呢？

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半导体有很多神奇的性质，它区别于容易导电的导体和几乎无法导电的绝缘体。从字面意思而言，可以将半导体理解为一种导电性介于导体和绝缘体之间的物质。然而，半导体远没有这么简单，“半”更体现在“变”，它的导电性可以随条件变化而发生剧烈的转化 。

首先是掺杂 。纯净的半导体接近绝缘体，几乎无法导电。但如果在半导体中掺杂，它的导电性会急剧增加，如果掺杂过多，甚至会像导体那样非常容易导电。此外，掺杂不同的原子，可以让半导体呈现或正或负的电性，分别称为 P 型半导体 和 N 型半导体 。根据这两种半导体，科学家们制作出了二极管、三极管等设备，这些设备可以用来制作能够加减乘除的运算器、实现与或非的逻辑电路、完成复杂的运算。

其次是电压 。如果将P型和N型半导体碰在一起，它们内部的电子在电场或扩散等的作用下，会在两种半导体间形成一个“耗尽层”。当施加不同方向的电压时，增厚或减薄耗尽层，同样可以实现电路的通或断。而这种电压控制下的通断转化，是迅速的、可逆的、可反复进行的。

如果将电路的通看作“1”，断看作“0”，就会发现芯片的通断居然和数字信号如此融洽。如果自然界可以由0和1组成，那么半导体就是构建世界的画笔。依据半导体神奇的特性，以它为原材制备的芯片可以实现你能想象到的所有功能。无论是在游戏中模拟出无法分辨的真实世界，还是打造极像人类思维的人工智能，芯片最终可以将人类送入数字的时代。

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04

半导体中的“佼佼者”——硅

硅并不是天生的宠儿。最初，人类选择锗作为芯片材料，并且此后整个行业也一直试图找出可以替代硅的其他半导体，砷化镓、氮化镓等半导体也随之应运而生，但它们都无法取代硅在芯片行业中统治般的地位。这是由于硅有如下几个巨大的优势：

1. 首先，硅在自然界中极其丰富 。硅在地壳中的含量达到 28.6%，广泛存在于岩石、砂砾、尘土之中，仅次于氧，甚至硅在宇宙中的储量排在第八位。

2. 掺杂性好。半导体的优势之一就是掺杂性，而硅正是最适合掺杂的材料之一 。

3. 此外，硅的物理和化学性质相对更稳定 ，做出的芯片不容易损坏。

4. 硅还具有极好的电子迁移率 。迁移率指的是载流子（电子和空穴）在单位电场作用下的平均漂移速度，即载流子在电场作用下运动速度的快慢程度。迁移率是材料的电导率的决定性因素之一，迁移率越大，电阻率越小，通过相同电流时，功耗越小，产生的热量少，因此电流承载能力就越大。除功耗小以外，高迁移率还会影响到器件的工作频率。例如，晶体管的截止频率和载流子迁移率成正比，因此，提高载流子迁移率，就能够提升晶体管的开关速度，从而提升芯片的性能。

5. 此外，硅有着致密氧化物 ——氧化硅。氧化硅不溶于水也不溶于大部分酸，这和印刷电路板技术“一拍即合”，结合的产物就是现在的集成电路平面工艺。

6. 最后，硅容易提纯 。经过数十年的研究，现在我们已经能够生产纯度高达99.999999999%的硅，这几乎是自然界中最纯净的物质。提纯对于芯片制作而言非常重要，随着一枚芯片中所包含的晶体管数量越来越多，芯片结构长度达到纳米级别，在这种情况下，制作如此精密的结构所需要的“白纸”就需要尽可能平整，洁白，即硅片需要具有高纯净度 、高平整度 、高清洁度 和低杂质污染度 的属性，才能完美保持芯片设计的功能。

硅片，图库版权图片，不授权转载

看到这里，或许可能有人想知道，既然硅片的作用如此重要，想必它的制作过程一定很困难。其实，制作硅片的过程并不难，但如何才能制作出这么纯净的硅片呢？请听下回分解。

出品｜科普中国

作者｜王智豪（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所）

监制｜中国科普博览

选送单位：中国科学院计算机信息网络中心

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CPU并不是全部 你的手机里还有这些芯片

近日，网上有人爆出了一则有关“华为屏幕驱动芯片领域”消息，消息称华为将成立新部门自主研发屏幕驱动芯片。这一消息的曝光让人们将目光移向手机内除了CPU之外的众多芯片之上，虽说CPU是一部智能手机的核心硬件，但是单有一块CPU并不能让手机正常运行，在此之外还需要诸多芯片的加入，才能让一部智能手机能上网能显示画面、能发出声音。今天便带大家来聊一聊智能手机里都有哪些芯片以及它们都分别发挥哪些作用。

说到手机内的芯片大家最熟悉的自然还是SoC了，SoC被称为系统级芯片，SoC在物理上可以被看成是一块芯片，但它其实是集成了多款芯片的一个模块其一般集成了CPU、GPU、ISP、AI等芯片，因此我们可以说SoC是手机的“核心处理器”。

麒麟990 5G SoC

由于SoC现在一般都集成了CPU（中央处理器）和GPU（图形处理器）这两个性能芯片，所以SoC的性能水平往往也代表着手机的基本性能表现。除了大家熟悉的CPU和GPU之外，SoC内往往还集成了基带、ISP、AI等功能芯片。其中ISP名为图像信号处理器，主要用来处理相机传感器传回的图像信号；AI芯片是最近今年新加入手机SoC的芯片模块，其主要被用于为手机提供强劲的AI算力，可以用于处理图片美化、视觉识别等任务。

麒麟990 SoC内置NPU

例如，华为海思麒麟990 5G SoC便在集成了由Cortex-A76和Cortex-A55构成的八核CPU和Mali-G76 MP16 GPU的基础之上，还集成了自研的ISP 5.0图像处理器和达芬奇架构NPU（AI芯片）以及双模5G基带，从而实现一颗芯片便可以完成了手机上的主要运算需求，节约了手机内部空间并降低了功耗。

麒麟990 5G SoC

说到手机上的闪存大家经常会把RAM和ROM搞混，一般而言在我们常说的8GB+128GB中，前者8GB一般是指RAM（运行内存）其作用相当于电脑上的内存，后者128GB一般是指ROM（ 存储内存）作用和电脑上的硬盘类似用来存储手机运行时的缓存和用户存储的数据，而RAM和ROM作为闪存，其本身也是一种芯片。例如iPhone 11 Pro Max便采用了来自东芝的Toshiba TSB4236 512GB NAND Flash闪存芯片。

东芝512GB闪存芯片（图片来自：techinsights）

因为和传统PC电脑所使用的机械硬盘不同，闪存也是使用半导体技术制造的一种芯片，也通常被直接封装在手机的主板上，因此其也可以被称为内存芯片。

说到手机上的通信芯片，大家最了解的自然就是基带了。基带芯片是指用来合成即将发射的基带信号，或对接收到的基带信号进行解码的芯片。简单理解就是它主要是负责收发手机的蜂窝网络数据信息。

高通X55 5G基带芯片

目前手机上的基带芯片主要分为集成和外挂两种方案，上文中我们提到的麒麟990 5G SoC便集成了双模5G基带。目前最知名的基带外挂设计便是高通旗下的高通骁龙865处理器+骁龙X55 双模5G基带芯片的组合。此外，手机一般还会搭载独立的射频芯片，例如由Skywork、Qorvo、AVAGO等厂商提供的第三方射频芯片，不过进入5G时代之后越来越多的手机厂商开始选择由高通提供的5G整体解决方案中打包出售的射频模组。

高通X60 5G解决方案

除了负责移动网络的通信的基带芯片之外，还有负责支持wifi和蓝牙网络技术的相应芯片，这些芯片同样既可以选择集成在SoC中也可以选择进行外挂配置。例如，iPhone 11系列便采用了独立支持Wi-Fi 6+蓝牙 5.0的Murata 339S00647 Wi-Fi/BT Wireless Combo IC。

Murata 339S00647（图片来自：techinsights）

除了占据手机大部分空间的SoC、闪存、通信芯片之外，负责各种具体功能的芯片则分布在手机内的各个角落。一般来说手机还会配备电源管理芯片、屏幕触摸控制器、音频IC、NFC芯片、无线充电控制器等芯片。例如，iPhone 11 Pro Max里面便配备了STMicrolectronics STB601A0N电源管理IC、Intel PMB6840基带PMIC、Cirrus Logic 338S00509音频编解码器、NXP SN200 NFC芯片以及苹果的UWB技术芯片Apple U1。同时，GPS、陀螺仪等设备也分别有自己的控制芯片，这里便不一一列举了。

iPhone 11 Pro Max主板局部（图片来自：techinsights）

此外，对于音频体验有一定追求的手机型号还会采用独立的HiFi芯片，例如iQOO 5便采用了独立HiFi芯片CS43131。

随着智能手机的所配备的功能越来越多，其相应所搭载的各类芯片也随之增多，不过与此同时，越来越多的芯片也开始被集成到同一块SoC模块之中。通常被认知的CPU和GPU并不是手机上全部芯片，甚至其在主SoC中也并不能占据大部分的面积。对于现在的智能手机来说其体验是由手机上的每一个部件所共同组成的，就像木桶一样缺少一块木板便会带来体验上的缺失。

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