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芯片科普

上海華湘
2024-04-02 15:26
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先從0和1說起

軟件和芯片密不可分,但軟件是抽象的,芯片是物理的,二者如何建立關(guān)系?這讓我們很快想到計算機的底層——二進制的0和1。


1.1 建立軟件與芯片的聯(lián)系

可是,0和1仍然是抽象的概念,芯片或者計算機內(nèi)部也不存在0和1,但人們很聰明地想到一種對應方法,就是用電壓水平來表示,比如,高電平為1,低電平為0。

于是,將抽象的軟件映射為01字符串(C之類的高級語言編譯后就是01機器碼,物理的芯片又可以體現(xiàn)不同的電壓水平。

這樣,我們就將軟件與芯片建立起了聯(lián)系,或者說將人類世界和計算機世界建立起了聯(lián)系。


1.2 兩個要解決的問題

上面的聯(lián)系還是稍顯跳躍和粗糙,接下來,還要解決兩個連續(xù)的問題:

  • 問題一:復雜的軟件如何與簡單的01映射?
  • 問題二:映射為01字符串后如何在芯片中體現(xiàn)為電平組合(電路)?


1.2.1 問題一

我們先看問題一,復雜的軟件如何與簡單的01映射?但這個問題可以指向軟件在芯片中的兩個基本行為:如何存儲和如何運算。

a. 存儲(表示)

存儲可以是數(shù)字、文字,也可能是聲音、圖片和視頻。

數(shù)字比較簡單,按照二進制和十進制換算即可。

文字呢,比如,A、B、C分別用01000001、01000010、01000011表示(ASCII碼),同樣的道理,其他字母或者漢字也都可以用01排列組合來表示。

聲音、圖片和視頻會略微復雜些,用到的辦法就是“離散化”。比如,對聲音可采集離散的波形,對圖片可采集離散的像素點,而視頻就是聲音和連續(xù)圖片的結(jié)合。

所以,只要有足夠多的01字符串去排列組合,我們不但能表示軟件,還能表示軟件背后的世間萬物。

b. 運算

說到運算,我們可以分為算術(shù)運邏輯運算。

算術(shù)運算是指對數(shù)值進行計算的運算,包括加、減、乘、除等基本運算。

邏輯運算則是基于布爾邏輯的運算,用于處理二進制數(shù)據(jù)(0和1)的位運算和邏輯關(guān)系判斷,如與、或、非、異或等。

既然我們進入到了0和1的世界,也就看看0和1的運算。

先看最簡單的二進制算術(shù)運算的加法,即

0+0=0
0+1=1
1+0=1
1+1=0(產(chǎn)生進位1)

學過布爾邏輯的我們,稍加思考,大約會發(fā)現(xiàn)這里的算術(shù)運算可以用邏輯運算來替代,也就是異或(相同為0,不同為1)邏輯得出加法位,與邏輯得出進位位(實際上,這是一個半加器)。

再往后,加法作為運算的基礎(chǔ),可以在擴展后處理更復雜的運算。

至此,復雜的軟件通過布爾邏輯與01建立了聯(lián)系。

1.2.2 問題二

走到這里,我們已經(jīng)走完了抽象的部分,下一步就要邁進物理世界,也就是問題二,映射為01字符串后如何在芯片中體現(xiàn)為電平組合(電路)

實際上,結(jié)合上一小節(jié)的敘述,我們知道我們很難直接處理01,而需要通過布爾邏輯將無意義的01有意義化,問題二就轉(zhuǎn)變成了布爾邏輯如何用電路實現(xiàn)。

初中物理學過基礎(chǔ)電路圖,我們可以用如下導線、開關(guān)、燈泡組成的簡單的電路(這種用來表示布爾邏輯的電路就是邏輯門)來表示布爾邏輯。




理論上,我們用無數(shù)這些電路就可以搭建一個芯片及一臺計算機。不過,現(xiàn)實顯然并非如此簡單。接下來,我們就需要進入半導體時代了。



2
再講晶體管

我們都見過電路板,上面有印刷銅線,可以對應前述示意邏輯門的電路導線。

還遺留一個難點是開關(guān),我們總不能用這個閘刀開關(guān)吧,太復古了。


其實吧,也不能說不能,世界上第一臺可自由編程使用二進制數(shù)的Z1計算機就是用不比閘刀開關(guān)高端多少的繼電器來搭建的。


繼電器這種笨重且單一的東西實非長久之計,人類很聰明,也很幸運,發(fā)現(xiàn)了半導體,半導體具備整流效應(依賴于PN結(jié)),也就是單向?qū)щ娦?,這讓半導體制作“開關(guān)”替代繼電器成為可能。

再加上半導體還有熱敏、光生伏特與光電導這些效應,而且還具備穩(wěn)定可靠、易于加工集成及適合大規(guī)模生產(chǎn)等特點,這都讓半導體成為“開關(guān)”的不二選擇,也最終成為計算機的基石。

在這些半導體“開關(guān)”或者“開關(guān)”組合里,最出名的莫過于晶體管這個芯片的基礎(chǔ)元件,比如,美光公司的2T閃存芯片NAND,單芯片就使用了5.3萬億個晶體管。



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芯片是什么?

以上算是講了芯片的基本原理,到此,終于快摸到芯片的邊了,但我們還沒講芯片的基本概念。

我講概念比較喜歡講狹義的,也就是業(yè)內(nèi)談到它,腦子里共同浮現(xiàn)出來的那些東西,這才是概念更重要的意義。

那么狹義的芯片是什么呢?

芯片這個名稱的來歷與它的功能和構(gòu)造有關(guān)。

芯片,實際上是將電路中的元件,如晶體管、二極管、電阻、電容和電感等,以及它們的連線,按照一定規(guī)則在非常小的半導體硅片上實現(xiàn)互聯(lián)互通。

這樣,原本需要大量分離電子元件才能實現(xiàn)的功能,被高度集成在了一個微小的”片“上,形成了一個功能完整的電子系統(tǒng)。

由于它的體積小、重量輕,但功能強大,因此被稱為“芯片”。

通過以上的描述,我們比較容易引出芯片更學術(shù)的概念——集成電路,但更廣義的芯片還包括傳感器、分立器件、光電器件產(chǎn)品等。



4
何為車規(guī)級芯片?

車規(guī)級芯片也是個比較熱的概念,何為車規(guī)?



4.1 AEC-Q100


顧名思義,就是滿足汽車的標準與規(guī)范。又有哪些規(guī)范呢?


通常,我們可以用16949、26262、21434AEC-Q100這四大標準作為車規(guī)芯片的門檻。


前三個標準屬于行業(yè)性或系統(tǒng)性的汽車行業(yè)規(guī)范,分別面向質(zhì)量體系、功能安全、信息安全,并不專門面向芯片,而AEC-Q100 算是芯片專屬。


AEC-Q100的全稱是“基于汽車應用中集成電路的失效機理的應力測試認證”,本質(zhì)是測試標準,主要從硬件層面確認集成電路在不同汽車環(huán)境中是否具有足夠的可靠性。比如,這些測試包括溫度循環(huán)、濕度測試、振動測試、電氣應力測試等。


需要注意的是,AEC-Q100標準是針對集成電路(如MCU)的,但這個家族還包括一系列其他標準,分別是:


  • AEC-Q101: 分立半導體器件(如三極管、二極管)

  • AEC-Q102分立光電半導體器件如LED)

  • AEC-Q103傳感器加速度或溫度傳感器)

  • AEC-Q104多芯片組件其他標準未涵蓋的多芯片組件)

  • AEC-Q200無源器件電容、電阻、電感



4.2 芯片級別


說完車規(guī)級,再看看其他“規(guī)”。


延續(xù)車規(guī)這個應用場景分類邏輯,我們可以將汽車芯片分為以下5個級別。


當然,以上各個級別的芯片之間并沒有嚴格的界線。比如,某些高端的消費級芯片可能采用了與汽車級的制程技術(shù),或者汽車上某些芯片仍然是消費級的




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芯片是如何造出來的?

萬億(12個0)、納米(十萬分之一頭發(fā)絲),這都是用來描述芯片的單位,簡直是“喪心病狂”的尺度。在如此尺度下,將芯片制造出來也是難以想象的。

所以,我們把芯片制造比作是在拇指上建造一座超級城市,并不為過。



5.1 晶圓制造


首先,我們需要一片非常純凈的單晶硅作為“地基”,就像建造城市需要堅實的土地一樣。這片單晶硅的純度要求極高,甚至要達到99.999999999%(即11個9)以上。


也就是說,這意味著每一萬億個硅原子中,只允許有一個雜質(zhì)原子。為了達到這樣的純度,原材料需要經(jīng)過一系列復雜的物理和化學提純過程。


提純完成后,將純凈的硅材料放入高溫爐中,通過特殊的方法(如化學氣相沉積)將其轉(zhuǎn)化成單晶硅棒


然后,使用精密的切割設(shè)備將這些單晶硅棒切割成薄薄的圓片,也就是晶圓。這些晶圓的厚度通常只有幾百微米,相當于頭發(fā)絲的直徑


5.2 晶圓加工


接下來,我們需要在晶圓上建造城市的“道路和建筑”,也就是電路和電子元器件。這個過程包括光刻、刻蝕、離子注入等步驟,每一步都需要精確控制各種參數(shù)和條件。


例如,在光刻步驟中,我們需要使用特殊的光刻膠和掩膜版,通過紫外線曝光將電路圖案“印”到晶圓上。這個過程中,光刻膠的厚度、曝光時間等參數(shù)都需要精確控制,以確保圖案的清晰度和精度。



5.3 封裝測試


最后,當城市的“道路和建筑”都建造完成后,我們需要進行“裝修和驗收”,也就是封裝和測試。


封裝是將芯片放入保護殼中,并連接引腳以便與外部電路連接,以保護內(nèi)部的電路不受外界環(huán)境的影響。


同時,我們還需要對芯片進行功能和性能測試,確保其符合規(guī)格要求。




6
本文小結(jié)

這是一篇芯片小白科普文,主要講了以下內(nèi)容:


  • 先從最基礎(chǔ)的0和1講起,揭示了軟件與芯片之間的緊密聯(lián)系。在數(shù)字電子中,高電平和低電平分別代表1和0,這種簡單的對應關(guān)系為軟件與芯片的交互提供了基礎(chǔ)。


  • 接著,從存儲和基于布爾邏輯的運算解釋了軟件與芯片的交互,并引出邏輯門和最適合邏輯門開關(guān)的晶體管。

  • 以上算是芯片的基本原理,進一步地,我們明確了芯片的來歷學術(shù)性概念——集成電路。


    最后,從晶圓制造、晶圓加工、封裝測試這幾個角度概要介紹了芯片的制造過程。




8
寫在最后

芯片——人類智慧的藝術(shù)品。