芯片=電腦CPU？打住！它遠沒有你想象的簡單

出品：科普中國

作者：王智豪（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所）

監(jiān)制：中國科普博覽

芯片是什么？在網(wǎng)絡(luò)中進行搜索，芯片指的是一種集成電路，在電子學(xué)中是一種將電路（主要包括半導(dǎo)體設(shè)備，也包括被動組件等）小型化的方式，并時常制造在半導(dǎo)體晶圓表面上。簡單來說，芯片就是半導(dǎo)體上的電路，而這種電路是微型的，因此芯片被稱作集成電路。

“芯片”的“芯”指的是它的重要性。在現(xiàn)代社會中，很多芯片扮演著“大腦”的作用，作為設(shè)備的核心，芯片的使用讓設(shè)備變得“智能”。而“芯片”的“片”則代表它的形態(tài)，芯片大部分都是片型，這種高度集成的形態(tài)便于將其放入各種設(shè)備中。

芯片的應(yīng)用非常廣泛，因此其分類也十分復(fù)雜。提及芯片，大部分人可能會單純將芯片和電腦CPU劃上等號。然而，芯片所涵蓋的范圍遠不及此，電腦CPU只是芯片所發(fā)揮的各種功能中的一小部分。

芯片的分類

按照功能分類，芯片可以分為以電腦的核心CPU（中央處理器）、GPU（圖像處理的芯片）為代表的計算芯片，以內(nèi)存芯片ROM（只讀存儲器）、DRAM（動態(tài)隨機存儲器）為代表的存儲芯片，以相機核心CMOS（互補金屬氧化物半導(dǎo)體存儲器）為代表的感知芯片，以及以ACDC電源管理芯片為代表的能源芯片和以5G為代表的通信芯片等?？梢赃@么說，芯片的種種功能涉及人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷妗?/p>

CPU、GPU、RAM、CMOS、5G芯片宣傳圖

（圖片來源：Intel官網(wǎng)、Nvidia官網(wǎng)、veer圖庫）

此外，芯片的制程工藝也越來越受到到人們的重視。所謂的幾納米工藝，以前通常指的是芯片中晶體管的柵極長度，數(shù)字越小就代表著單位面積芯片的晶體管集成度越高，其性能也越強。然而，隨著芯片的晶體管數(shù)量越來越多，人類在CPU上的工藝進步逐漸放緩，現(xiàn)在的制程和柵極長度已無法匹配。

現(xiàn)在的制程指的是工藝的名稱，例如，某公司的10nm工藝實際柵極長度實際為54nm。通俗來說，以白酒行業(yè)的年份酒舉例，5年、10年、30年等的年份標注，并不是真實窖藏時間，而是一種標識。如果按照制程工藝來劃分，也可以大致分為28nm、14nm、7nm到近年的5nm、4nm等類型。

Intel工藝進步，橫坐標表示年份，縱坐標表示單位面積晶體管數(shù)量，單位百萬

（圖片來源：Intel官網(wǎng)）

按照不同應(yīng)用場景分類，芯片還可以分為消費級、工業(yè)級、汽車級和軍工級芯片。除性能外，它們的主要區(qū)別在于工作溫度及環(huán)境承受能力。

告訴你一個冷知識，我國嫦娥四號的CPU的運算速度只有你手機芯片的幾十分之一，可能你會感到奇怪，為什么如此先進的登月技術(shù)卻用這么“慢”的CPU呢？這是因為二者的工作環(huán)境存在差異。

手機芯片安穩(wěn)“躺”在主板上，室溫穩(wěn)定，遠離水、磁，還有散熱片防止它“發(fā)燒”，這樣的工作環(huán)境，完全可以用“舒適”來形容。我們好吃好喝的照顧，它還偶爾會抽風(fēng)死機。而嫦娥四號的CPU所處的太空環(huán)境溫差達到300℃，而且時時刻刻都暴露在致命的宇宙輻射下。因此，嫦娥四號的CPU需要從材料、系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)等各個方面進行特殊設(shè)計，從而使其能夠與宇宙環(huán)境作“對抗”。

因此，對于軍工產(chǎn)品或航天設(shè)備來說，保證芯片在不同復(fù)雜環(huán)境條件下的工作穩(wěn)定性和可靠性才是最重要的考慮因素。

嫦娥四號

（圖片來源：中華人民共和國中央人民政府官網(wǎng)）

從模擬信號到數(shù)字信號——開啟自然界的數(shù)字化篇章

自然界的事物都是連續(xù)的，如連續(xù)的時間，連續(xù)的水流，“連續(xù)”的長度。因此，最初科學(xué)家的發(fā)明也是“連續(xù)的”。例如，有線電話和無線廣播都是直接傳送和源頭一模一樣的聲音波形，早期的膠片攝影依靠化學(xué)材料感光，類似于人眼的頻譜映射，從而產(chǎn)生圖像。這種“連續(xù)”信號我們將其稱為“模擬信號”。模擬信號完整捕捉或還原了自然，其看似是一個很完美的技術(shù)。然而，現(xiàn)實情況果真如此嗎？

信號在傳輸過程中要經(jīng)過許多環(huán)節(jié)的處理和轉(zhuǎn)送，在這些過程中，模擬信號會受到干擾；同時，如果是有線傳輸，其線路附近的電氣設(shè)備也會產(chǎn)生電磁干擾。如果是人類所追求的無線傳輸，開放環(huán)境由于存在更多的不可抗力因素，使得模擬信號幾乎無法使用，嚴重影響通訊質(zhì)量。為此，人們想了許多辦法努力恢復(fù)模擬信號，但都無法從根本上解決干擾的問題。

不過，后來人類發(fā)現(xiàn)，如果將連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)化成離散的數(shù)字信號，問題就會迎刃而解。雖然相較模擬信號而言，離散的數(shù)字信號天生就存在誤差和分辨率，但由于數(shù)字信號在運輸過程中具有天生的優(yōu)勢，它可以大大緩解信號的干擾與噪聲。因此，困擾人們多年的問題得到了解決。

從發(fā)明數(shù)字信號這一刻開始，自然界的數(shù)字化進程便開始了。想要得到連續(xù)的圖像？可以！將圖片拆解為一塊一塊像素，再將每個像素的顏色分為紅綠藍不同亮度的組合，圖像就可以變成無數(shù)二進制數(shù)字。想要得到連續(xù)的聲音？也可以！先將連續(xù)信號離散化，然后將每部分用二進制表示，二進制的位數(shù)反映了聲音波形的精度，最后再進行編碼即可變成數(shù)字。

幾乎自然界所有物體都可以被我們在數(shù)字世界模擬出來，最終世界歸于1和0兩個數(shù)字。所以那句“世界是你們的，也是我們的，但終究是程序員的”很有道理。

聲音的模擬信號和數(shù)字信號，連續(xù)為模擬信號，離散為數(shù)字信號

（圖片來源：veer圖庫）

半導(dǎo)體——芯片“揮灑文采”的“白紙”

正如詩人滿腹經(jīng)綸的文采需要揮灑在白紙上，芯片上的邏輯電路也需要這樣一張“白紙”，去展現(xiàn)它的“實力”。而半導(dǎo)體——主要是由高純度硅制作的硅片，就可以作為這張白紙，讓電路設(shè)計師在上面肆意揮灑智慧，制作出各種功能的高性能芯片。因此，在芯片中，半導(dǎo)體和集成電路同樣重要。但你有沒有想過，為什么人們會選擇半導(dǎo)體作為“白紙”呢？為什么人們在眾多半導(dǎo)體中又選擇了“硅”這種元素呢？

芯片結(jié)構(gòu)3D示意圖

（圖片來源：Intel官網(wǎng)）

半導(dǎo)體有很多神奇的性質(zhì)，它區(qū)別于容易導(dǎo)電的導(dǎo)體和幾乎無法導(dǎo)電的絕緣體。從字面意思而言，可以將半導(dǎo)體理解為一種導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。：“半”即為“導(dǎo)體導(dǎo)電性的一半”。然而，半導(dǎo)體遠沒有這么簡單，“半”更體現(xiàn)在“變”，它的導(dǎo)電性可以隨條件變化而發(fā)生劇烈的轉(zhuǎn)化。

首先是摻雜。純凈的半導(dǎo)體接近絕緣體，幾乎無法導(dǎo)電。但如果在半導(dǎo)體中摻雜，它的導(dǎo)電性會急劇增加，如果摻雜過多，甚至?xí)駥?dǎo)體那樣非常容易導(dǎo)電。此外，摻雜不同的原子，可以讓半導(dǎo)體呈現(xiàn)或正或負的電性，分別稱為P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體。根據(jù)這兩種半導(dǎo)體，科學(xué)家們制作出了二極管、三極管等設(shè)備，這些設(shè)備可以用來制作能夠加減乘除的運算器、實現(xiàn)與或非的邏輯電路、完成復(fù)雜的運算。

其次是電壓。如果將P型和N型半導(dǎo)體碰在一起，它們內(nèi)部的電子在電場或擴散等的作用下，會在兩種半導(dǎo)體間形成一個“耗盡層”。當施加不同方向的電壓時，增厚或減薄耗盡層，同樣可以實現(xiàn)電路的通或斷。而這種電壓控制下的通斷轉(zhuǎn)化，是迅速的、可逆的、可反復(fù)進行的。

如果將電路的通看作“1”，斷看作“0”，就會發(fā)現(xiàn)芯片的通斷居然和數(shù)字信號如此融洽。如果自然界可以由0和1組成，那么半導(dǎo)體就是構(gòu)建世界的畫筆。依據(jù)半導(dǎo)體神奇的特性，以它為原材制備的芯片可以實現(xiàn)你能想象到的所有功能。無論是在游戲中模擬出無法分辨的真實世界，還是打造極像人類思維的人工智能，芯片最終可以將人類送入數(shù)字的時代。

黑客帝國

（圖片來源：veer圖庫）

半導(dǎo)體中的“佼佼者”——硅

硅并不是天生的寵兒。最初，人類選擇鍺作為芯片材料，并且此后整個行業(yè)也一直試圖找出可以替代硅的其他半導(dǎo)體，砷化鎵、氮化鎵等半導(dǎo)體也隨之應(yīng)運而生。但它們都無法取代硅在芯片行業(yè)中統(tǒng)治般的地位。這是由于硅雖然是半導(dǎo)體中的一員，但它卻有著其他半導(dǎo)體難望項背的巨大優(yōu)勢。

首先，資本最看重的是成本，而硅在自然界中極其豐富。硅在地殼中的含量達到28.6%，廣泛存在于巖石、砂礫、塵土之中，僅次于氧，甚至硅在宇宙中的儲量排在第八位，有先見之明的科學(xué)家已經(jīng)為“征服”宇宙做好了準備。

其次，半導(dǎo)體的優(yōu)勢之一就是摻雜性，而硅正是最適合摻雜的材料之一。此外，硅的物理和化學(xué)性質(zhì)相對更穩(wěn)定，做出的芯片不容易損壞。

同時，硅還具有極好的電子遷移率。遷移率指的是載流子（電子和空穴）在單位電場作用下的平均漂移速度，即載流子在電場作用下運動速度的快慢程度。遷移率是材料的電導(dǎo)率的決定性因素之一，遷移率越大，電阻率越小，通過相同電流時，功耗越小，產(chǎn)生的熱量少，因此電流承載能力就越大。除功耗小以外，高遷移率還會影響到器件的工作頻率。例如，晶體管的截止頻率和載流子遷移率成正比，因此，提高載流子遷移率，就能夠提升晶體管的開關(guān)速度，從而提升芯片的性能。

此外，硅有著致密氧化物——氧化硅。氧化硅不溶于水也不溶于大部分酸，這和印刷電路板技術(shù)“一拍即合”，結(jié)合的產(chǎn)物就是現(xiàn)在的集成電路平面工藝。

最后，硅容易提純。經(jīng)過數(shù)十年的研究，現(xiàn)在我們已經(jīng)能夠生產(chǎn)純度高達99.999999999%的硅，這幾乎是自然界中最純凈的物質(zhì)。提純對于芯片制作而言非常重要，隨著一枚芯片中所包含的晶體管數(shù)量越來越多，芯片結(jié)構(gòu)長度達到納米級別，在這種情況下，制作如此精密的結(jié)構(gòu)所需要的“白紙”就需要盡可能平整，潔白，即硅片需要具有高純凈度、高平整度、清潔度和低雜質(zhì)污染度的屬性，才能完美保持芯片設(shè)計的功能。

硅片

（圖片來源：veer圖庫）

看到這里，或許可能有人想知道，既然硅片的作用如此重要，想必它的制作過程一定很困難。其實，制作硅片的過程并不難，但如何才能制作出這么純凈的硅片呢？請聽下回分解。

編輯：應(yīng)奕可