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    芯片科普

    上海華湘
    2024-04-02 15:26
    494次
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    先從0和1說(shuō)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(jìn)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(lái)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(lèi)的高級語(yǔ)言編譯后就是01機器碼,物理的芯片又可以體現不同的電壓水平。

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


    1.2 兩個(gè)要解決的問(wèn)題

    上面的聯(lián)系還是稍顯跳躍和粗糙,接下來(lái),還要解決兩個(gè)連續的問(wèn)題:

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


    1.2.1 問(wèn)題一

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

    a. 存儲(表示)

    存儲可以是數字、文字,也可能是聲音、圖片和視頻。

    數字比較簡(jiǎn)單,按照二進(jìn)制和十進(jìn)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(lái)表示。

    聲音、圖片和視頻會(huì )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(diǎn),而視頻就是聲音和連續圖片的結合。

    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(wàn)物。

    b. 運算

    說(shuō)到運算,我們可以分為算術(shù)運邏輯運算。

    算術(shù)運算是指對數值進(jìn)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(jìn)制數據(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(jìn)入到了0和1的世界,也就看看0和1的運算。

    先看最簡(jiǎn)單的二進(jìn)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(jìn)位1)

    學(xué)過(guò)布爾邏輯的我們,稍加思考,大約會(huì )發(fā)現這里的算術(shù)運算可以用邏輯運算來(lái)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(jìn)位位(實(shí)際上,這是一個(gè)半加器)。

    再往后,加法作為運算的基礎,可以在擴展后處理更復雜的運算。

    至此,復雜的軟件通過(guò)布爾邏輯與01建立了聯(lián)系。

    1.2.2 問(wèn)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(jìn)物理世界,也就是問(wèn)題二,映射為01字符串后如何在芯片中體現為電平組合(電路)?

    實(shí)際上,結合上一小節的敘述,我們知道我們很難直接處理01,而需要通過(guò)布爾邏輯將無(wú)意義的01有意義化,問(wèn)題二就轉變成了布爾邏輯如何用電路實(shí)現。

    初中物理學(xué)過(guò)基礎電路圖,我們可以用如下導線(xiàn)、開(kāi)關(guān)、燈泡組成的簡(jiǎn)單的電路(這種用來(lái)表示布爾邏輯的電路就是邏輯門(mén))來(lái)表示布爾邏輯。




    理論上,我們用無(wú)數這些電路就可以搭建一個(gè)芯片及一臺計算機。不過(guò),現實(shí)顯然并非如此簡(jiǎn)單。接下來(lái),我們就需要進(jìn)入半導體時(shí)代了。



    2
    再講晶體管

    我們都見(jiàn)過(guò)電路板,上面有印刷銅線(xiàn),可以對應前述示意邏輯門(mén)的電路導線(xiàn)。

    還遺留一個(gè)難點(diǎn)是開(kāi)關(guān),我們總不能用這個(gè)閘刀開(kāi)關(guān)吧,太復古了。


    其實(shí)吧,也不能說(shuō)不能,世界上第一臺可自由編程使用二進(jìn)制數的Z1計算機就是用不比閘刀開(kāi)關(guān)高端多少的繼電器來(lái)搭建的。


    繼電器這種笨重且單一的東西實(shí)非長(cháng)久之計,人類(lèi)很聰明,也很幸運,發(fā)現了半導體,半導體具備整流效應(依賴(lài)于PN結),也就是單向導電性,這讓半導體制作“開(kāi)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,而且還具備穩定可靠、易于加工集成及適合大規模生產(chǎn)等特點(diǎn),這都讓半導體成為“開(kāi)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(kāi)關(guān)”或者“開(kāi)關(guān)”組合里,最出名的莫過(guò)于晶體管這個(gè)芯片的基礎元件,比如,美光公司的2T閃存芯片NAND,單芯片就使用了5.3萬(wàn)億個(gè)晶體管。



    3
    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(méi)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)內談到它,腦子里共同浮現出來(lái)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(gè)名稱(chēng)的來(lái)歷與它的功能和構造有關(guān)。

    芯片,實(shí)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(xiàn),按照一定規則在非常小的半導體硅片上實(shí)現互聯(lián)互通。

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

    由于它的體積小、重量輕,但功能強大,因此被稱(chēng)為“芯片”。

    通過(guò)以上的描述,我們比較容易引出芯片更學(xué)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(chē)規級芯片?

    車(chē)規級芯片也是個(gè)比較熱的概念,何為車(chē)規?



    4.1 AEC-Q100


    顧名思義,就是滿(mǎn)足汽車(chē)的標準與規范。又有哪些規范呢?


    通常,我們可以用16949、26262、21434AEC-Q100這四大標準作為車(chē)規芯片的門(mén)檻。


    前三個(gè)標準屬于行業(yè)性或系統性的汽車(chē)行業(yè)規范,分別面向質(zhì)量體系、功能安全、信息安全,并不專(zhuān)門(mén)面向芯片,而AEC-Q100 算是芯片專(zhuān)屬。


    AEC-Q100的全稱(chēng)是“基于汽車(chē)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(chē)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(dòng)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(gè)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(wú)源器件電容、電阻、電感



    4.2 芯片級別


    說(shuō)完車(chē)規級,再看看其他“規”。


    延續車(chē)規這個(gè)應用場(chǎng)景分類(lèi)邏輯,我們可以將汽車(chē)芯片分為以下5個(gè)級別。


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




    5
    芯片是如何造出來(lái)的?

    萬(wàn)億(12個(gè)0)、納米(十萬(wàn)分之一頭發(fā)絲),這都是用來(lái)描述芯片的單位,簡(jiǎn)直是“喪心病狂”的尺度。在如此尺度下,將芯片制造出來(lái)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(guò)。



    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(shí)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(gè)9)以上。


    也就是說(shuō),這意味著(zhù)每一萬(wàn)億個(gè)硅原子中,只允許有一個(gè)雜質(zhì)原子。為了達到這樣的純度,原材料需要經(jīng)過(guò)一系列復雜的物理和化學(xué)提純過(guò)程。


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


    然后,使用精密的切割設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(lái),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(gè)過(guò)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(guò)紫外線(xiàn)曝光將電路圖案“印”到晶圓上。這個(gè)過(guò)程中,光刻膠的厚度、曝光時(shí)間等參數都需要精確控制,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(jìn)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,以保護內部的電路不受外界環(huán)境的影響。


    同時(shí),我們還需要對芯片進(jìn)行功能和性能測試,確保其符合規格要求。




    6
    本文小結

    這是一篇芯片小白科普文,主要講了以下內容:


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


    • 接著(zhù),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(mén)和最適合邏輯門(mén)開(kāi)關(guān)的晶體管。

    • 以上算是芯片的基本原理,進(jìn)一步地,我們明確了芯片的來(lái)歷學(xué)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(gè)角度概要介紹了芯片的制造過(guò)程。




    8
    寫(xiě)在最后

    芯片——人類(lèi)智慧的藝術(shù)品。


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