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天天都在說的芯片，到底是什么？

 熊慕姓李 2020-09-18

（1）  芯片的本質是什么？
芯片的本質是半導體+集成電路，即在半導體襯底上制作能實現(xiàn)一系列特定功能的集成電路。
芯片需要封裝起來，裝到一個外殼里保護起來。
一個芯片的背面有很多根金屬引線，這些引線的作用就是要把芯片電路和外界電路連接起來。
芯片，顧名思義，“芯”指的是它是電子設備的心臟、大腦、中樞系統(tǒng)；“片”指的是它的形狀。
芯片的種類有很多，邏輯芯片（如CPU）、存儲芯片、通信芯片、傳感芯片等等。
（2）  芯片必須是半導體材料
以前人類只能用機械控制電，但有了半導體之后，人類可以直接用電來控制電，而且控制能力強了很多。
芯片里的晶體管的結構很像是兩個挨得很近的“車站”，“車站”里有很多電子，兩座“車站”上面有一個控制“按鈕”，叫作柵極。當給柵極加一個電壓，就會在兩座“車站”之間形成一個通道，電子就可以通過，電壓消失，通道也跟著消失。
隨著量子力學的發(fā)展，人類發(fā)現(xiàn)了半導體這種關鍵材料。只要靠施加電壓的變化，就能實現(xiàn)它在導體和絕緣體之間的切換，人類也從電氣時代進入了電子時代。
通過半導體，可以實現(xiàn)用電來控制電，處理信息的能力大大提升了。
（3）  芯片的功能要靠集成電路來實現(xiàn)
芯片想要實現(xiàn)某一功能，光有一個晶體管還不行，必須要把很多晶體管連成電路才行。
集成電路的發(fā)明人之一Robert Noyce發(fā)明集成電路技術的初衷就是覺得手工把元器件一個個的焊在一起太麻煩了。
芯片的復雜功能還原到最底層都能用0和1解決。
芯片創(chuàng)造了今天的數(shù)字世界，讓人類進入到一半物質世界一半數(shù)字世界的新時代。
所以說，芯片是物質世界和數(shù)字世界的接口，物質世界里幾乎所有的物理量“力熱光聲電”，都能通過芯片映射到數(shù)字世界里。
芯片的接口功能越來越強，數(shù)據(jù)量也越來越大，數(shù)據(jù)也就變得越來越重要。
（4）  芯片是數(shù)字化信息的完美載體
半導體集成電路可以直接去操控微觀的電子來處理信息，這是用二進制來實現(xiàn)數(shù)字化的最好方案。
每個器件需要完成的工作非常簡單，就是開關的通斷，而且速度非?？欤╪s級）。而且，把大量的晶體管集成到一個芯片上之后，很容易就能實現(xiàn)復雜的運算功能。
（5）  芯片有超高的可靠性
首先，芯片是靠改變電壓來控制半導體通斷的，這在科學原理上就是可靠的。
其次，集成電路是在硅片上刻出來的，連接線路跟硅襯底是一個整體，這也保證了芯片的可靠性。
然后，芯片的制作工藝要求非常高，使用到的硅襯底、各種化學試劑與氣體、各種制造設備都具有極高的純度或精度，保證了芯片非常高的可靠性。
最后，芯片的設計缺陷或制造缺陷，也可以通過軟件層面的補救措施來修正。
（6）  芯片可以不斷高速進化
芯片從誕生到今天的60多年里，每18個月，它的性能就會提高一倍，這體現(xiàn)了芯片的指數(shù)級進化過程。
芯片技術也和人類的需求形成了正反饋，用得越多，需求越大，而且還能不斷刺激出新的需求。
（7）  晶體管的理論極限
不管多先進的芯片，還原到本質，它都是由一個一個晶體管組合起來的。那么，一直以來，晶體管的性能水平幾乎就代表了芯片的性能水平。
在芯片的“車站”模型中，“車站”之間的通道非常重要，在晶體管里叫“溝道”，晶體管的速度、功耗等重要的性能指標都跟溝道長度緊密相關。我們經(jīng)常聽到的7nm、5nm，都是說的這個溝道的長度。
工藝越先進的芯片，晶體管的溝道就越短；溝道越短，電子通過溝道的時間也就越短，信息的傳遞速度也就越快，芯片的性能就越好。
溝道長度存在著一個理論極限，就是一個硅原子的直徑0.2nm。
這是因為溝道的長度比硅原子直徑還短時，那通道就沒有通斷之分了，晶體管就沒有開關功能了。
也就是說，不管技術進步，只要是硅半導體材料的晶體管，溝道就不可能比0.2nm更短。
另外，還有兩個物理定律級別的限制：一個是熱力學限制，另一個是量子力學限制。這就決定了硅晶體管的極限尺寸在1nm左右。
當幾十億、幾百億個晶體管集成到一塊，還有發(fā)熱、連線等更多的限制因素。
（8）  芯片的未來
通過硬件、軟件的協(xié)同發(fā)展，讓芯片性能繼續(xù)每兩年提高一倍，完全是一種可以延續(xù)的發(fā)展趨勢。
在未來，芯片仍然會是人類信息處理最主要的工具，其他前沿技術也都需要依托于芯片，或者跟芯片技術結合才能獲得更大的發(fā)展。
（9）  芯片的生產工藝難度
芯片生產過程可以分成3個步驟，分別是設計、加工和封測。
芯片加工需要2個重要的支撐，分別是芯片的制造設備和芯片加工需要的高純度材料。
EDA軟件和光刻機是先進工藝里的兩大關鍵難點。
芯片設計階段，一定會用到EDA軟件（電子設計自動化軟件）。EDA軟件的算法就決定了芯片設計的優(yōu)劣。而且更重要的是，EDA是典型的工業(yè)軟件，要緊密聯(lián)系生產線的實際參數(shù)。
高端光刻機，使用的高功率的極紫外光（ASML 250W 13.5nm），高精度的光刻透鏡（精度pm級）。
（10）  芯片的前沿技術
（A）環(huán)繞柵晶體管（GAAFET）
為了進一步加強柵極對溝道的控制力，相比FinFET，環(huán)繞柵晶體管的柵極完全把溝道圍了起來，這就實現(xiàn)了對溝道最大程度的控制，環(huán)繞柵晶體管能進一步減小漏電，保證了3nm節(jié)點上的器件可靠性。
（B）片上系統(tǒng)（SoC）
最先進的芯片都不再是單一功能了，而是形成了一個系統(tǒng)，叫片上系統(tǒng)（System-on-Chip，SOC），即在單獨一個芯片上集成一個有完整功能的電路系統(tǒng)。
現(xiàn)在所有的智能手機、平板電腦里面最重要的一顆芯片就是SoC芯片，它上面集成了CPU、GPU、存儲器、NPU、音頻視頻模塊等各種功能。
SoC是現(xiàn)在工藝最復雜、生產最高端芯片的技術方案。
（C）系統(tǒng)級封裝（SiP）
系統(tǒng)級封裝（System-in-Package，SiP），這是一種弱化版本的系統(tǒng)集成。
按照各個模塊的功能和工藝要求來分類，把CPU、GPU等必須使用最先進工藝節(jié)點的模塊集成到一顆芯片上，再把不需要最先進工藝的一顆或多顆芯片（如存儲器芯片、輸入輸出接口模塊等）集成到另外一顆或多顆芯片上，然后，再把這些子芯片的裸片直接集成到同一個封裝里面，這就組成了SiP芯片。
不管是SoC，還是SiP，都需要EDA軟件，EDA仿真的時候，不光要考慮電學參數(shù)，也要考慮力學、熱力學等參數(shù)，這就對EDA軟件提出了更高的要求。
（11）  通用芯片和專用芯片
CPU是通用芯片，要具備解決各種各樣問題的能力，所以它的控制模塊非常復雜，運算能力相對比較弱。
GPU是專用芯片，控制模塊只占了很小的部分，大部分是運算單元，專門處理各種圖像數(shù)據(jù)。
AI芯片也是專用芯片，它的全稱叫人工智能加速芯片，作用就是用來加速AI算法的?，F(xiàn)在AI芯片的實現(xiàn)方案有GPU、FPGA（可編程邏輯陣列）和ASIC（專用集成電路）三種，在不同的應用場景下可選用不同的方案。
（12）  芯片的未來技術
（A）  新原理器件
新原理器件，比較有希望的是石墨烯或碳納米管這類低維材料，它們最大的優(yōu)勢是電子在其中的傳播速度比在硅材料中快很多。
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。自旋器件的開關，只靠電子自旋來表示0和1就可以了。
（B）  可重構芯片
所謂可重構，就是說芯片內部的電路結構，可以根據(jù)軟件進行動態(tài)調整，對不同的軟件都可以達到定制化硬件的性能。
（C）  經(jīng)典芯片和量子計算混合
對于一個大規(guī)模的實際問題，可以把這問題分解，其中困難的部分交給量子芯片解決，最后再把這兩個系統(tǒng)的答案拼裝起來，給出一個最終答案。
而且，經(jīng)典芯片和量子計算的結合，也可以用來解決實際的人工智能問題。隨著人工智能的算力越來越高，人工智能也可以用于芯片設計，也就是說用芯片研發(fā)出更好的芯片，即實現(xiàn)芯片的自我進化。
（D）  類腦芯片
人類大腦的運算模式叫做“存算一體”，都是在神經(jīng)元里面進行的，所以大腦進行如此復雜的抽象和推理運算，只有20W的功耗，遠遠低于CPU芯片。
類腦芯片就是要模仿大腦的模式進行運算。
類腦芯片的關鍵技術就是存算一體。

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