芯片科普 芯片是什么？如何分类？

前些年，当焦点聚集在芯片行业，大家的话题都是“台积电”“华为麒麟芯片”“光刻机”“卡脖子”。

而这两年大家关注的焦点变成了“芯片短缺”“芯片涨价”“国产替代化”......

从“为什么芯片会被卡脖子”到现在“芯片短缺如何缓解”，能够明显感受到大家对于芯片重要性的认知深刻了许多。

但是很多同学接触芯片行业，想要进一步了解的时候，还是会有各种各样的问题待解答。

所以这是一篇零基础小白可读的、帮你迅速掌握芯片行业基本知识的科普文。收藏不亏。

芯片概念

先区分几个基本概念：芯片、半导体、集成电路。

半导体： 常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等。现在芯片常用的半导体材料是硅。

集成电路： 一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构。

芯片： 就是把一个电路所需的晶体管和其他器件制作在一块半导体上（来自杰夫·达默）。芯片属于集成电路的载体。

严格从定义上来说，集成电路 ≠ 芯片。

但从狭义上说，我们日常提到的IC、芯片、集成电路其实并没有什么差别。平时大家所讨论的IC行业、芯片行业指的也是同一个行业。

如果用一句话概括：芯片就是以半导体为原材料，把集成电路进行设计、制造、封测后，所得到的实体产品。

当芯片被搭载在手机、电脑、平板上之后，它就成为了这类电子产品的核心与灵魂。

手机触屏需要有触控芯片，储存信息需要有存储芯片，实现通信功能要有基带芯片、射频芯片、蓝牙芯片，想要拍出好看的照片就需要GPU......一部手机里的芯片加起来都要有100多颗。

芯片分类

这么多芯片，有没有什么系统的分类方式呢？其实芯片的分类方式有很多种：

按照处理信号方式可以分成：模拟芯片、数字芯片

信号分为模拟信号和数字信号，数字芯片就是处理数字信号的，比如CPU、逻辑电路等；模拟芯片是处理模拟信号的，比如运算放大器、线性稳压器、基准电压源等。

如今的芯片大多数都同时具有数字和模拟，一块芯片到底归属为哪类产品是没有绝对标准的，通常会根据芯片的核心功能来区分。

按照应用场景可以分：航天级芯片、车规级芯片、工业级芯片、商业级芯片

芯片可以用于航天、汽车、工业、消费不同的领域，之所以这么分是因为这些领域对于芯片的性能要求不一样，比如温度范围、精度、连续无故障运行时间（寿命）等。举个例子：

工业级芯片比商业级芯片的温度范围要更宽，航天级芯片的性能最好，同时价格也最贵。

按照使用功能可以分：GPU、CPU、FPGA、DSP、ASIC、SoC......

刚刚说的触控芯片、存储芯片、蓝牙芯片......就是依据使用功能来分类的。还有企业经常说的“我司的主营业务是 CPU芯片/WIFI芯片”，也从功能角度来分的。

之前专门写过一篇以功能进行分类、以人体功能作为类比的文章，感兴趣的朋友也可以详细了解一下：《一篇文章带你认识芯片分类及代表企业》

按照集成度可以分：小规模集成电路（SSI）、中规模集成电路（MSI）、大规模集成电路（LSI）、超大规模集成电路（VLSI）

集成度就是要看芯片上集成的元器件个数。现在智能手机里的芯片基本都是特大规模集成电路了，里面集合了数以亿计的元器件。

其实这属于早期来表述芯片集成度的方式，后来在发展过程中就以特征线宽（设计基准）的尺寸来表述，比如微米、纳米。也可以理解为我们现在所常说的工艺制程。

按照工艺制程可以分：5nm芯片、7nm芯片、14nm芯片、28nm芯片......

这里的nm其实就是指CMOS器件的栅长，也可以理解成最小布线宽度或者最小加工尺寸。

放眼全球，目前比较先进的制程就是台积电和三星的3nm，但是目前良率并不高（三星3nm良率仅有10-20%）。国内最先进的制程是中芯国际的14nm。

芯片的发展过程，也是充满了“传奇色彩”，我们需要从IC业内非常著名的“摩尔定律”讲起。

摩尔定律

摩尔定律是英特尔创始人之一戈登·摩尔的经验之谈。

之所以说是经验之谈，是因为该“定律”并非是自然科学的定律，而是戈登·摩尔经过长期观察所总结出来的经验。

1965年，戈登·摩尔在绘制一份发展报告的图表时，发现了一个惊人的趋势：每颗芯片所能容纳的晶体管数目大概在18-24个月就会翻一番，性能也会提升一倍。

摩尔定律预言了芯片的规模和性能。

1971年，英特尔的第一代微处理器有2300个晶体管。2007年，45nm的处理器有8亿多晶体管。现如今，麒麟9000采用的是5nm工艺制程，集成了153亿晶体管。

在过往的50多年中，芯片行业一直在遵循着摩尔定律的预言在发展。

现在工艺已经逼近“极限”，工艺制程不可能无限缩小，近几年摩尔定律也已经放缓。随着技术发展，摩尔定律也定然会遇到瓶颈。

但摩尔定律在半导体史上永远都是传奇而浓墨重彩的一笔。

芯片种类越多、功能越强大，就越让人忍不住好奇：一颗芯片究竟是如何“披荆斩棘、打磨棱角”来到我们面前的？

下一篇文章就会给大家系统介绍芯片全产业链以及芯片从无到有的诞生过程。

学习之路上，IC修真院与你同行。

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。

图库版权图片，不授权转载

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。

图库版权图片，不授权转载

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？

图库版权图片，不授权转载

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。

图库版权图片，不授权转载

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

本文封面图片及文内图片来自版权图库

图片内容不授权转载

原创图文转载请后台回复“转载”

相关问答

音频芯片怎么区分?

音频芯片可以根据其功能、性能和适用场景等方面进行区分。例如,功放芯片可以按照输出功率、输入电源电压和输出阻抗等因素来区分;数字音频处理器可以根据其支...

芯片是怎么辨别第几脚的?-ZOL问答

有些芯片的背部会有一个凹槽,数引脚的顺序是按凹槽的逆时针顺序来数,比如:凹槽左边的第一个脚就是一脚,凹槽左第二个脚就是二脚。根据你的描述,请问具体是指的...

如何区分CPU和芯片?

区分CPU和芯片方法如下:二者的区别是芯片集成了上外围器件,CPU不带外围器件(例如存储器阵列),是高度集成的通用结构的处理器,CPU是一种数字芯片,只是众多...

怎么区分手机里面的IC和芯片?

手机里的ic包含芯片。芯片又称微电路、微芯片、集成电路(integratedcircuit,IC),是指内含集成电路的硅片,体积很小,常常是计算机或其他电子设备的一部分...

电子产品的芯片和模块怎么区分?

芯片和模块是很容易区分的,所谓芯片就是一颗裸芯片,没有搭建任何的外围电路;而模块就是以芯片为核心,搭建了芯片的基本外围电路,简化了用户的设计。电路模块...

银行卡，分磁条卡和芯片卡，有什么区别-汇财吧专业问答

[回答]区别:银行芯片卡卡有集成芯片,磁条卡没有集成芯片,使用磁性记录介质记录信息。芯片卡又称集成电路卡,它是在大小和普通信用卡相同的塑料卡片上嵌置...

耳机芯片的区别?

不同的芯片区别还是很大的,耳机用的芯片比较多的有高通、瑞昱、络达。其中高通芯片的耳机,可以支持aptx编码,延迟低,音质也好,而且高通自己有TWSPlus技术,...

银行卡磁条卡和芯片卡的区别怎么看自己的卡是不是芯-汇财吧...

[回答]推荐使用芯片卡现在各大银行均在推行使用芯片卡银行卡的芯片安全系数要高于其他芯片,”据银行专家介绍说,与磁条卡不同的是,芯片卡的信息是动态的,...

LED芯片:科锐、欧司朗、晶元的芯片有什么特点?如何识别?

CREE(科锐)的芯片最好认了,其采用碳化硅衬底,结构非常好认,单电极。通常情况下我们所说的单电极兰光芯片都是CREE的。其他双电极类的兰光芯片可通过电极外...

LED芯片的辨认?

怎么辨别LED灯珠是晶元芯片呢?最简单的方法就是买个显微镜回家对照晶元芯片的内部结构图进行对比。如果是就是不是就是仿冒品。也或者可以拿到封装公司进行检...