芯片的基本知识,半导体芯片浅显易懂的解说

今天讲讲芯片的基本知识,比较基本,懂的人不要笑话,我觉得对应大部分人来说,今天的内容就是科普,大概有个了解,对于看懂一些介绍公司的文献还是很有意义的。

知识就是这样积累起来,才能提升自己的认知能力。这篇文字我至少构思了三个月,怎么表达更通俗易懂,你认真看完一定能懂,哪怕你只有小学文化!

芯片的基本知识,半导体芯片浅显易懂的解说

芯片的主要构成就是晶体管,晶体管是什么?

晶体管就是一种可变电流的开关,与普通机械开关类似,无非晶体管利用电信号来控制自身的开合,也就是一个自动开关。而且这个开关的速度很快,每一秒钟可以开关100亿次以上。我们通常听说过的晶体管具体是指半导体器件有二极管、三极管、场效应管、晶闸管等。

本质上芯片就是一堆自动开关构成的集合体,当然还有一些辅助元件,比如:电阻、电容等元件,共同构成一个集成电路,封装起来就变成了芯片。那一堆开关怎么就那么厉害呢?别看这些开关,他们可以代表无数个可能,这个核心方法就是二进制的表述。

什么是二进制?

我们大家都懂十进制,就是到9的时候变成了10,逢十进一,这叫十进制。而二进制就是逢二进一,也就是在二进制里面2的表述是10(念“一零”),然后芯片里面用二个晶体管(自动开关)就可以表示一零,就是一个开关合上(表示1),另外一个开关断开(表示0)。如果数字“3”就要用三个开关来表示,因为3的二进制表述是111(念“幺幺幺”),三个开关全部合上。

如果是阿拉伯数字“100”,那么它的二进制代码是1100100,需要7个开关来表示。如果是数字一亿呢?肯定需要更多晶体管来表述。再如果是图像呢?需要把图像全部转换成数字,这个数字的量非常大,你看图片的颜色深浅程度不一样,所表述的二进制代码就不一样。你想在计算机上显示出高清,那么就一个颜色深浅得用n多二进制代码表示,所以图片越清晰,文件越大。平时图像的存储空间比文字大很多的原理,你们也知道了!

芯片上的晶体管越来越多,自从1947年12月16日威廉·邵克雷、约翰·巴顿和沃特·布拉顿成功地在贝尔实验室制造出第一个晶体管。1953年第一个采用晶体管的商业化设备投入市场,即助听器。1954年10月18日第一台晶体管收音机投入市场,仅包含4只锗晶体管,这是集成电路(芯片的前生)的第一次应用。

1965年“摩尔定律”诞生:戈登·摩尔(英特尔的前CEO)预测,未来一个芯片上的晶体管数量大约每18个月翻一倍,至今依然基本适用。科学家不断增加集成电路上的晶体管,从一开始我们肉眼可见的二极管、三极管、电容、电阻等这些元件开始,到现在一个手机CPU芯片上集成了几十亿个晶体管,一般的显微镜都看不见了,太小了。芯片的最新制程工艺已经到了2-3nm级别,1nm是头发丝的六万分之一,无法想象吧!

华为的麒麟980芯片为69亿个晶体管,麒麟970的时候才55亿个晶体管,升级一代增加了11亿个晶体管,天文数字,处理能力自然增强很多。华为麒麟980是7nm工艺的芯片,麒麟970是10nm工艺的芯片。为什么持续在追求芯片制程工艺越来越小?现在大家都知道芯片是由晶体管组成的,制程越小,同样面积的芯片里,晶体管就越多,自然性能就越强了。

还有一点,我们上次的文章里面已经详细说明过,制程越小,功耗越小,因为电路距离越短,路上的损耗就越小。虽然一个开关只差了3个纳米,每个晶体管节约了一丢丢功耗,但是乘于69亿个晶体管就可以节约很多很多功耗,从而更省电,我们手机的待机时间就更长。每次更新一次芯片的工艺制程,芯片的综合性能差不多会提升50%以上,功耗也节约很多,所以难怪这些芯片厂商和制造工厂如此孜孜不倦的研发新工艺。

硅原子

当然,芯片的制程工艺也是有物理极限,现在人类所知一个原子的直径是0.1纳米,也就是制程工艺做到0.1纳米再往下不可能了,当前已经到1纳米左右了,所以离极限已经不远。在 10 纳米的情况下,一条线只有不到 100 颗原子,在制作上已经相当困难,而且只要有一个原子的缺陷,像是在制作过程中有原子掉出或是有杂质,就会产生不知名的现象,影响芯片的良率。

所以科学家已经另辟蹊径,不搞电子计算机了,而发明了一种叫“量子计算机”的牛逼玩意儿,比电子计算机厉害亿亿亿倍,明天跟大家细说量子计算机,会颠覆你的想象。

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