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了解芯片的分类

2022/10/27        作者:e-works  魏蝶      
关键字:EDA  芯片  
芯片是科技时代的重要生产力,正像是第一、二次工业革命中的蒸汽机、内燃机,决定着一个时代生产力的强弱。在今天的信息化社会中,无论是人们常用的手机、电脑及数码产品,还是企业应用的数据中心、高性能计算、工业机器人,都离不开芯片。那么,面对各种各样的芯片,该如何进行系统的分类?
       芯片自1958年诞生以来,已有64年的发展历史。芯片是科技时代的重要生产力,正像是第一、二次工业革命中的蒸汽机、内燃机,决定着一个时代生产力的强弱。在今天的信息化社会中,芯片无疑是最重要的基础支撑,无论是人们常用的手机、电脑及数码产品,还是企业应用的数据中心、高性能计算、工业机器人,都离不开芯片。

       那么,芯片技术是如何由开始的不成熟,一步步发展成为今天高科技皇冠上的技术明珠?面对各种各样的芯片,该如何进行系统的分类?本文将为读者梳理芯片的几种分类方式。

芯片是什么

       芯片之于电子设备,就如发动机之于汽车,重要性不言而喻。它可以是一个巨大的产业,在信息时代,芯片是各行业的核心基石,电脑、手机、家电、汽车、高铁、电网、医疗仪器、机器人、工业控制等各种电子产品和系统都离不开芯片;它也事关国家安全,现代化的战斗机、军舰或是坦克上都安装有大量的芯片。芯片不仅代表着高效的运算性能,更是一个国家高端制造能力的综合体现,是全球高科技国力竞争的战略必争制高点。

       首先区分几个常见的基本概念:半导体、集成电路、芯片到底是什么,有何区别?

       半导体:是指常温下导体和绝缘体之间的材料。生活中常见的收音机、电视、电子产品等,都与半导体密切相关,其中的电子元器件(电阻,电容,电感,二极管等),大多是半导体材料制造的。常见的半导体材料包括硅、锗、砷化镓等,芯片常用的半导体材料是硅。

       集成电路:是一种微型电子设备或组件。其采用一定的工艺,将电路中所需的晶体管、电阻、电容、电感等元件与布线互连一起,制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上,然后封装在管壳中,形成具有所需电路功能的微型结构;所有元件都在结构上形成了一个整体,这使得电子元件朝着小型化、低功耗、智能化和高可靠性迈出了一大步。

       芯片:是指内含集成电路的硅片,体积很小,是手机、计算机或者其他电子设备的一部分。如果说人体最重要的器官是大脑,那么芯片就是电子设备的“大脑”。芯片又称微电路(microcircuit)、微芯片(microchip),是半导体元件产品的统称,是集成电路的载体,由晶圆分割而成。

       事实上,芯片是集成电路封装中的一个较大的半导体芯片,即管芯片。严格从定义上来说,集成电路≠芯片。集成电路是通过半导体技术、薄膜技术和厚膜技术制造的;任何以某种封装电路形式小型化某种功能的电路都可以称为集成电路。其范围比芯片广得多。芯片是人们以半导体为原材料,对集成电路进行设计、制造、封测后,得到的实体产品。当芯片被搭载在手机、电脑、平板上之后,它就成了这类电子产品的核心与灵魂。

       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。

芯片及摩尔定律的诞生

       19世纪30年代到20世纪初,英、法、德、美等国的科学家不断发现半导体存在的诸多特征。随后,半导体领域开始经历从电子管、晶体管,到集成电路、超大规模集成电路的历程。

       一直到1946年2月14日,世界上第一台电子数字计算机ENIAC(埃尼阿克,The Electronic Numerical Integrator And Calculator)在美国诞生。但其是一个庞然大物,主要由18000个电子管,1500个继电器,70000个电阻器,10000个电容器,6000多个开关及其它器件进行组成,重达30英吨,占地约170平方米。

       1947年12月23日,第一块晶体管在美国的贝尔实验室诞生,使晶体管代替电子管成为可能。20 世纪50年代起,晶体管替代电子管,并最终实现了集成电路和微处理器的大批量生产。

       1958年9月12日被视为世界上第一枚芯片的诞生日。这年,德州仪器的工程师杰克·基尔比借助已有的几种锗器件,把金属蒸镀在锗管的“发射极”和“基极”上,再用蚀刻技术做成接触点,然后连接起来,制成了世界上第一块集成电路。半年后,罗伯特·诺伊斯在仙童半导体公司发明了第一个真正的单片式IC芯片,是一种新的集成电路。诺伊斯的设计是由硅制成的,而基尔比的芯片是由锗制成的。诺伊斯的单片IC将所有组件放在硅芯片上,并用铜线连接它们,使用平面工艺制造,不仅运算处理性能超群,而且价格低,对实现大批量生产集成电路具有重大意义。

       1966年,美国贝尔实验室使用比较完善的硅外延平面工艺,制造出第一块公认的大规模集成电路。集成电路的发明是应用需求、技术发展及创新思想共同作用的结果,开启了以微电子技术为基础的计算机和信息技术迅猛发展的新篇章。

       1965年,戈登·摩尔(时任仙童半导体公司工程师,后为英特尔联合创始人之一)发现了一个惊人的规律,即在芯片开发中,同样面积芯片上晶体管数量每隔18-24个月增加一倍。这意味着芯片的存储容量和计算能力相对于时间周期在持续呈指数式的上升。这就是指引了半导体行业超过半个世纪的摩尔定律。对于摩尔定律的理解,可以从以下三个维度

       1.大小维度:集成同等数量晶体管的芯片,每18-24个月所需的晶圆面积缩小一半;或者每隔18-24个月,相同尺寸硅晶圆上集成的晶体管数量将会翻倍。

       2.性能维度:芯片性能每隔18-24个月,就会提高一倍。

       3.价格维度:用一美元所能买到的计算机性能,每隔18-24个月翻一倍。

       摩尔定律是戈登·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。其预言了芯片的规模和性能。此后的几十年来,计算机从一间屋子那么大演变成笔记本大小;每个集成电路上晶体管数量有数十亿个;普通家用电脑运算速度几十亿次,现在的“天河”E级超级计算机每秒钟可以完成百亿亿次的运算。

       从1965年到2022年,摩尔定律历经了半个多世纪的时光,芯片行业也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。但摩尔定律的诞生是半导体技术史上的一个里程碑,其在半导体史上永远都是传奇而浓墨重彩的一笔!

芯片的分类

       芯片是很多产品的大脑。以我们常用的手机为例,一部智能手机不单只有CPU一块芯片,手机屏幕显示各种颜色需要屏幕驱动芯片,手机发出声音需要音频处理芯片,手机存储照片需要存储芯片,手机指纹识别需要指纹识别芯片,手机有电池需要电源管理芯片……电子产品越来越先进,但每多一个功能,都需要相应的芯片来完成,那么面对如此多的芯片种类,该如何进行系统的分类?

       按照不同的处理信号分类,芯片分为模拟芯片、数字芯片。

       模拟芯片用于生产、放大和处理各种模拟信号。数字芯片用于生产、放大和处理各种数字信号。什么叫模拟信号和数字信号?模拟信号:简单地说是连续信号,即连续发出的;数字信号:是不连续的,离散信号。其分类如下:
 图 1 芯片的分类(按不同的处理信号)       
图 1 芯片的分类(按不同的处理信号)

       通用处理器:通用处理器是由海量逻辑电路组成的,它包含了控制、存储、运算、输入输出等部分,形成了一个完整的数据和信息处理系统。包括CPU、GPU、DSP、APU等。

       存储器:存储器是用于存储数据和信息的芯片。包含SRAM、DRAM、ROM、Flash等。存储器也可以设计在CPU、MCU、SoC之中,也被称为嵌入式存储器。

       单片系统(SoC):单片系统就是把一个电子系统全部集成到一颗芯片中。是面向具体应用领域而设计的专用系统级芯片。例如汽车电子、医疗设备等。

       微控制器(MCU):微控制器是简化版的CPU,一般用在较简单的、小型的电子产品或系统中,实现简单的控制和数据处理任务。

       专用集成电路(ASIC):在集成电路界ASIC被认为是一种为专门目的而设计的集成电路,是指应特定用户要求和特定电子系统的需要而设计、制造的集成电路。ASIC的特点是面向特定用户的需求,ASIC在批量生产时与通用集成电路相比具有体积更小、功耗更低、可靠性提高、性能提高、保密性增强、成本降低等优点。

       可编程逻辑器件(PLD):PLD与一般数字芯片不同的是:PLD内部的数字电路可以在出厂后才规划决定,有些类型的PLD也允许在规划决定后再次进行变更、改变,而一般数字芯片在出厂前就已经决定其内部电路,无法在出厂后再次改变。PLD的两种主要类型是FPGA和CPLD。

       电源芯片相当于人类的心脏,可以给身体其他器官提供营养物质。电源芯片可以给ASIC、DSP、CPU、FPGA及其他数字或模拟负载供电。

       信号链是对从信号采集(传感器)、信号处理(放大、缩小、滤波)、模数转换(A/D转换器)、到程序处理(微处理器)这一个信号处理过程的总称。信号链芯片由一个个模块芯片组成一整条“链条”。

       按照常见的使用功能分类,芯片可以分为:处理器芯片、存储芯片、传感器、电源芯片、通信芯片、接口芯片。

图 2 芯片的分类(按使用功能)

图 2 芯片的分类(按使用功能)

       传感器就相当于人类的五官,可以感知/测量生活中的声音、图像、温度、湿度、压力和光信号等。CIS是将光学图像转换成电子信号的电子设备,相当于人的视网膜,其在手机、相机乃至卫星的拍摄成像中必不可少。MEMS是按功能要求在芯片上把微电路和微机械集成于一体的系统,例如手机中的磁传感器、指纹传感器、环境传感器等。Touch对环境变化具有灵敏的自动识别和跟踪功能,我们日常使用的手机和平板电脑就内含触控芯片。

       通信芯片相当于人类的神经,四通八达,传递信息和数据。Bluetooth是一种近距离无线连接技术,支持声音、图像的传输。WIFI也是一种近距离无线通信。NB-loT是一种远距离无线通信,属于广域网,应用在我们使用的共享单车中。

       接口芯片相当于人的“四肢”,同样可以用于传递信息和数据。USB是一个外部总线标准,是应用在PC和手机领域的一种接口技术,例如电脑的USB插口、手机的USB充电线。HDMI是一种全数字化视频和声音发送接口,可以发送未压缩的音频及视频信号。例如笔记本电脑、电视、机顶盒就有HDMI接口。

       按照工艺制程分类,芯片可以分为:5nm芯片、7nm芯片、14nm芯片、28nm芯片……

       芯片的纳米数是制造芯片的制程,其实就是指CMOS器件的栅长,或指晶体管电路的尺寸。纳米在处理器中指的是晶体管之间的距离就是间距,距离越小就能在同等大小的面积上集成更多的晶体管,芯片就能做得越复杂,越先进性能越好,功耗越低。

       以手机为例,在手机芯片的晶体管结构中,电流从Source(源极)流入Drain(漏极),Gate(栅极)相当于闸门,主要负责控制两端源极和漏极的通断。而栅极的最小宽度(栅长)就是工艺制程。手机芯片的工艺制程越小,栅极宽度就越小,意味着闸门通道越小,单位面积所容纳的晶体管就会越多,芯片就越先进,性能就越强。

       放眼全球,目前比较先进的制程就是台积电和三星的3nm,但是良率并不高(三星3nm良率仅有10-20%)。国内较为先进的是中芯国际的14nm工艺制程芯片,目前已实现量产。

       按照导电类型的不同,芯片可以分为:双极型集成电路、单极型集成电路。

图 3 芯片的分类(按照导电类型的不同)

图 3 芯片的分类(按照导电类型的不同)

       所谓双极型和单极型主要指的是组成集成电路的晶体管的极性。双极型集成电路由NPN或PNP型晶体管组成,由于电路中的载流子有自由电子和空穴两种极性,因此取名为双极型集成电路。单极型集成电路是由MOS场效应晶体管组成的。

总结

       随着数字化、智能化迅猛发展以及算力需求日益提升,从日常的电脑、手机、智能汽车等个人消费品,再到人工智能、云计算、大数据、物联网等重要产业,均无一例外地以芯片产品作为硬件基础。芯片种类纷杂繁多各有千秋,根据芯片的不同特性会有不同的分类,希望这篇内容让大家对芯片有进一步的了解。
责任编辑:魏蝶
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