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芯片科普|芯片是什么?如何分類?

時間:2022-4-28 11:11:00
摘要: 集成電路:一種微型電子器件或部件。采用一定的工藝,把一個電路中所需的晶體管、電阻、電容和電感等元件及布線互連一起,制作在一小塊或幾小塊半導體晶片或介質基片上,然后封裝在一個管殼內,成為具有所需電路功能的微型結構。

前些年,當焦點聚集在芯片行業,大家的話題都是“臺積電”“華為麒麟芯片”“光刻機”“卡脖子”。

而這兩年大家關注的焦點變成了“芯片短缺”“芯片漲價”“國產替代化”......

從“為什么芯片會被卡脖子”到現在“芯片短缺如何緩解”,能夠明顯感受到大家對于芯片重要性的認知深刻了許多。

但是很多同學接觸芯片行業,想要進一步了解的時候,還是會有各種各樣的問題待解答。

所以這是一篇零基礎小白可讀的、幫你迅速掌握芯片行業基本知識的科普文。收藏不虧。

芯片概念

先區分幾個基本概念:芯片、半導體、集成電路。

半導體:常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的材料,常見的半導體材料有硅、鍺、砷化鎵等?,F在芯片常用的半導體材料是硅。

集成電路:一種微型電子器件或部件。采用一定的工藝,把一個電路中所需的晶體管、電阻、電容和電感等元件及布線互連一起,制作在一小塊或幾小塊半導體晶片或介質基片上,然后封裝在一個管殼內,成為具有所需電路功能的微型結構。

芯片:就是把一個電路所需的晶體管和其他器件制作在一塊半導體上(來自杰夫·達默)。芯片屬于集成電路的載體。

嚴格從定義上來說,集成電路 ≠ 芯片。

但從狹義上說,我們日常提到的IC、芯片、集成電路其實并沒有什么差別。平時大家所討論的IC行業、芯片行業指的也是同一個行業。

如果用一句話概括:芯片就是以半導體為原材料,把集成電路進行設計、制造、封測后,所得到的實體產品。

當芯片被搭載在手機、電腦、平板上之后,它就成為了這類電子產品的核心與靈魂。

手機觸屏需要有觸控芯片,儲存信息需要有存儲芯片,實現通信功能要有基帶芯片、射頻芯片、藍牙芯片,想要拍出好看的照片就需要GPU......一部手機里的芯片加起來都要有100多顆。

芯片分類

這么多芯片,有沒有什么系統的分類方式呢?其實芯片的分類方式有很多種:

按照處理信號方式可以分成:模擬芯片、數字芯片信號分為模擬信號和數字信號,數字芯片就是處理數字信號的,比如CPU、邏輯電路等;模擬芯片是處理模擬信號的,比如運算放大器、線性穩壓器、基準電壓源等。如今的芯片大多數都同時具有數字和模擬,一塊芯片到底歸屬為哪類產品是沒有絕對標準的,通常會根據芯片的核心功能來區分。

按照應用場景可以分:航天級芯片、車規級芯片、工業級芯片、商業級芯片芯片可以用于航天、汽車、工業、消費不同的領域,之所以這么分是因為這些領域對于芯片的性能要求不一樣,比如溫度范圍、精度、連續無故障運行時間(壽命)等。

舉個例子:工業級芯片比商業級芯片的溫度范圍要更寬,航天級芯片的性能最好,同時價格也最貴。按照使用功能可以分:GPU、CPU、FPGA、DSP、ASIC、SoC......剛剛說的觸控芯片、存儲芯片、藍牙芯片......就是依據使用功能來分類的。

還有企業經常說的“我司的主營業務是 CPU芯片/WIFI芯片”,也從功能角度來分的。之前專門寫過一篇以功能進行分類、以人體功能作為類比的文章,感興趣的朋友也可以詳細了解一下:《一篇文章帶你認識芯片分類及代表企業》

按照集成度可以分:小規模集成電路(SSI)、中規模集成電路(MSI)、大規模集成電路(LSI)、超大規模集成電路(VLSI)

集成度就是要看芯片上集成的元器件個數?,F在智能手機里的芯片基本都是特大規模集成電路了,里面集合了數以億計的元器件。

其實這屬于早期來表述芯片集成度的方式,后來在發展過程中就以特征線寬(設計基準)的尺寸來表述,比如微米、納米。也可以理解為我們現在所常說的工藝制程。

按照工藝制程可以分:5nm芯片、7nm芯片、14nm芯片、28nm芯片......

這里的nm其實就是指CMOS器件的柵長,也可以理解成最小布線寬度或者最小加工尺寸。

放眼全球,目前比較先進的制程就是臺積電和三星的3nm,但是目前良率并不高(三星3nm良率僅有10-20%)。國內最先進的制程是中芯國際的14nm。

芯片的發展過程,也是充滿了“傳奇色彩”,我們需要從IC業內非常著名的“摩爾定律”講起。

摩爾定律

摩爾定律是英特爾創始人之一戈登·摩爾的經驗之談。之所以說是經驗之談,是因為該“定律”并非是自然科學的定律,而是戈登·摩爾經過長期觀察所總結出來的經驗。1965年,戈登·摩爾在繪制一份發展報告的圖表時,發現了一個驚人的趨勢:每顆芯片所能容納的晶體管數目大概在18-24個月就會翻一番,性能也會提升一倍。

摩爾定律預言了芯片的規模和性能。

1971年,英特爾的第一代微處理器有2300個晶體管。2007年,45nm的處理器有8億多晶體管?,F如今,麒麟9000采用的是5nm工藝制程,集成了153億晶體管。在過往的50多年中,芯片行業一直在遵循著摩爾定律的預言在發展。

現在工藝已經逼近“極限”,工藝制程不可能無限縮小,近幾年摩爾定律也已經放緩。隨著技術發展,摩爾定律也定然會遇到瓶頸。

但摩爾定律在半導體史上永遠都是傳奇而濃墨重彩的一筆。

芯片種類越多、功能越強大,就越讓人忍不住好奇:一顆芯片究竟是如何“披荊斬棘、打磨棱角”來到我們面前的?
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