NG体育随着时代的快速发展，尤其是科技发展突飞猛进NG体育官网app下载。知识更新变得越来越需要了。借此从本期开始，我们推出一个新栏目——【科普知识】。小编为大家搜集整理了一些大家熟知名字但又不是太深度懂得的知识，陆续刊发希望大家喜欢！目前，芯片已经成为一个非常热的话题。那什么是芯片呢？其实我们每天都在接触芯片，大部分时间都在和芯片做交互，但是我们看不见它，我们看到的只是一个整机。这期小编为大家搜集整理了些“芯片知识”，供大家了解学习！
，芯片是一种集成电路，可以将其比作是电子设备的大脑，芯片上的元件可以执行各种任务，例如处理信息、存储数据、执行计算和控制操作等。，“芯”表示核心、中心，“片”表示薄片、碎片，芯片是由半导体材料制成的薄片，作为整个电路系统的核心部分，集成了关键的电路结构。
，芯片被用于数据处理、存储、控制、通信和感知等各个方面，计算机、手机、汽车等设备都依赖芯片来处理数据、执行算法和运行软件程序。，芯片具有高度的集成度，它在一个小的物理空间内集成了大量的电子元件和电路，可能包含数十亿以上的元件，形成复杂的电路结构。，芯片制造之所以难，是由于其需要精密的工艺，要将纳米级别的电路图案转移到芯片表面，流程和工艺复杂，元件和电路高度集成。，芯片的制作材料包括：半导体材料（主要是硅）、金属材料（主要用于电路的互连和连接）、绝缘材料（主要用于隔离电路之间的互连）。
，数据处理是指对数据进行收集、操作、转换和分析的过程，计算机、手机、平板等设备都依赖芯片来处理数据、执行算法和运行软件程序。
，芯片中的存储器芯片用于存储数据和程序，它们允许设备读取和写入数据，支持临时存储和持久存储，例如保存文件、图像、音频和视频数据等。
，芯片中的电路和逻辑元件可以实现控制和执行各种操作，例如控制设备的功能NG体育官网app下载、执行输入输出操作、调整设备的设置和参数、监控设备状态等。
，无论是无线技术（Wi-Fi、蓝牙）还是有线连接（以太网、USB），芯片负责处理通信协议和数据传输，支持设备之间的通信、通话和网络连接。
，一些芯片内集成了传感器，用于感知环境中的物理量，检测温度、光线、压力、加速度等信息，应用于环境监测、医疗设备、智能家居等领域。
，图形处理器芯片（GPU）专门用于图形和图像的处理和渲染，它们在游戏、计算机图形、虚拟现实、视频编辑和图像处理等方面发挥作用。
，芯片还可以针对特定的应用进行定制设计，如汽车芯片、音频编解码器、图形处理器（GPU）、加密芯片等，专用芯片满足特定领域的需求。
芯片有多种类型，每种类型都具有不同的功能和应用，以下是一些常见的芯片类型：，微处理器也称为中央处理器（CPU），主要功能是执行指令集，包括：算术运算、逻辑运算、数据传输、控制流程等，广泛应用于电子设备。
，存储器芯片用于数据存储和读取，常见的存储器芯片包括随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、闪存存储器（Flash Memory）等。
，图形处理器芯片是专门用于图形和图像处理的芯片，它们用于加速图形渲染、图像处理、计算任务等，广泛应用于游戏、计算机图形领域。
，通信芯片用于支持设备间的通信和连接，它们包括网络接口卡、调制解调器、无线通信芯片、蓝牙芯片等，实现数据传输、网络通信和设备互连。
，传感器芯片集成了各种传感器，用于感知和测量环境中的物理量，例如温度、湿度、压力、光线、加速度等等，不同的传感器实现不同的需求。
，电源管理芯片用于管理和控制设备的电源供应和能量消耗，可以实现功耗优化、电源切换、充电控制、故障恢复等功能，确保设备正常运行。
，安全芯片用于提供数据的安全和加密功能，可以实现数据加密、数字签名、安全存储、身份验证和访问控制等等，用于保护设备和数据的安全性。
，指纹识别芯片用于获取和识别指纹信息，可以实现指纹采集、指纹识别、生物特征识别等功能，广泛应用于电子设备、安全系统和门禁控制。
，芯片是计算机和服务器的核心组件，包括微处理器芯片（CPU）、内存芯片、图形处理器芯片（GPU）等，实现计算、存储和图形处理功能。
，智能手机和移动设备使用处理器芯片、通信芯片、传感器芯片和显示控制芯片等，以支持手机的通信、数据处理、传感和显示等功能。
，现代汽车中有许多芯片应用，包括：引擎管理芯片、车载娱乐系统芯片、安全控制芯片、驾驶辅助系统芯片等，在汽车的使用中提供多种功能。
，网络路由器、交换机、调制解调器和光纤通信设备等都使用芯片来实现数据传输、路由和通信控制等功能，确保网络稳定和数据可靠传输。
，各种消费电子产品如电视、音频设备、相机、游戏机等都使用芯片来实现不同的功能，如视频处理芯片、音频编解码器芯片、图形处理器芯片等。
，物联网设备包括智能家居NG体育官网app下载、智能城市、工业自动化等应用，通过芯片实现感知、连接和控制的功能，使得物联网设备能够获取信息，实现交互。
，医疗设备如心脏监测器、血压计、医疗成像设备、糖尿病监测设备、呼吸机等，使用芯片来处理信号、控制和存储数据，以及提供各种医疗功能。
，工业控制系统使用芯片来实现过程监控、数据采集和自动化控制等功能，这包括可编程逻辑控制器芯片、传感器芯片、运动控制芯片等。
，晶体管是芯片中最基本的元器件之一，它们用于放大、开关和控制电流，通过放大电流实现信号放大，应用于放大器、音频设备、无线通信等领域。
，电容器的主要功能是储存电容量，常用于滤波、耦合、能量存储等，滤波指过滤电路中不必要的噪声和频率，耦合指将电路信号传递到另一个电路。
，电阻器用于控制电流流动，它们用于限制电流、分压、稳定电路，通过控制电流的大小，防止电流过大损坏电子元件或电路，满足特定的电路要求。
，电感器的主要作用是通过产生磁场来储存电能，当电流通过电感器时，会在线圈周围产生一个磁场，使电感器储存电能，同时抵抗电流的突然变化。
，二极管用于控制电流的方向，允许电流在一个方向上流动而阻止其在另一个方向流动，允许电流通过时，电路连接，不允许电路通过时，电路断开。
，集成电路本身也是一种元器件，通过集成电路，使得在一个芯片上可以包含大量的晶体管、电阻器、电容器和其他元件，形成复杂的电路和功能。
，例如传感器元器件、存储器元器件、时钟元器件、输入输出接口元器件、开关元器件、变压器等，每种元器件都有其特定的功能和应用场景。
，要让芯片工作，需要先从电源获取供电，电源可以是电池、电网、电容或者其他供电设备，芯片中的电路和元件需要电能来进行操作和执行各种功能。，芯片接收来自外部的输入信号，这些信号可以是传感器采集的数据、外部设备发送的指令或者其他输入信号，是与外部设备进行交互的重要途径。，芯片中的电路和逻辑元件对输入信号进行处理和解析，这包括信号放大、滤波、数字转换、逻辑运算等操作，以提取有用的信息或进行功能处理。，芯片根据处理和控制的结果，生成相应的输出信号，这些信号可以是控制信号、数据传输信号、驱动外部设备的信号、指示工作状态的信号等等。，芯片可能包含一些内部存储器，用于临时或永久存储数据、指令或配置信息，这些存储器可以是寄存器、缓冲区、闪存等，用于不同的存储需求。，芯片可能具有通信功能，可以与其他设备或系统进行数据传输和通信，这可以通过无线通信、有线接口、网络连接等方式实现，进行数据交互。，芯片可能包含监测和调节电路，用于监测自身的工作状态和性能，并根据需要进行自动调整和修复，例如错误校正、故障恢复、电路重启等。，在一定条件下，芯片可能会结束工作或进入休眠状态，以节省能量或进行系统维护，这有助于节省能量、延长电池寿命，提供更好的用户体验。
，微电子工程专业涵盖了芯片设计、集成电路制造工艺、芯片测试等方面的知识和技能，学习电子器件的原理、电路设计、芯片设计流程等内容。，电子工程涵盖了电子器件、电路设计、数字系统、模拟电子技术等方面的知识，学习与芯片设计和应用相关的电子原理、信号处理、系统设计等。，计算机工程涵盖了计算机硬件和软件方面的知识，学习计算机体系结构、数字逻辑设计、计算机组成原理等课程，与芯片设计或开发密切相关。
，材料科学与工程专业涵盖了材料的结构、性能和应用方面的知识，在芯片制造过程中，需要使用到硅片、薄膜材料、封装材料等各种材料。
，在芯片设计和制造过程中，需要理解电子器件的物理原理和性质，物理学专业的学生可以学习电子学、固体物理学、量子力学等与芯片相关的内容。
，芯片在通信设备和网络中起着关键作用，通信工程专业的学生可以学习与芯片相关的通信原理、无线通信技术、网络协议、光纤通信系统等课程。
，软件工程专业涵盖了软件开发和系统设计等知识，在芯片设计和应用中，软件工程师可以负责芯片的嵌入式软件开发、驱动程序编写及应用开发。
，电子元件是指用于构成电子电路的基本组成部分，如二极管、晶体管、电阻器、电容器、电感器等等，它们在电子电路中起着不同的作用和功能。，高新技术是指具有较高科技含量和创新性的技术，通常是前沿科学研究和先进工程技术的应用产物，如信息技术、生物技术、新材料、新能源等。，硅片是制造集成电路的基础，通过在硅片上进行电路设计、掩膜光刻、薄膜沉积等工艺步骤，将电子元件和电路结构嵌到硅片上，形成集成电路芯片。
，纳米是长度单位，表示一亿分之一米，芯片的制造过程中涉及到许多纳米级别的工艺，通过纳米级的设计和控制，可以实现更小、更快和更强的芯片。
，卡（qiǎ）脖子是一个俗语，用于形容某种情况或问题阻碍、限制了进展或发展，使其处于困境或停滞状态，可以指个人、团队或社会等面临的难题。
，半导体是一种介于导体和绝缘体之间的材料，其电导能力介于金属导体和非导体之间，在半导体器件中，常见的有二极管、晶体管、集成电路等等。
，指计算机系统或设备在单位时间内处理数据和执行计算任务的能力，用来描述计算机的性能和处理速度，常用于科学计算、数据分析、人工智能领域。，传感是指通过感知和收集信息来获取有关环境、物体或现象的数据的过程，可以感知各种物理量和特性，如温度、压力、湿度、速度、声音、位置等。，引脚是电子元件上的金属接点，用于连接到其他电路或设备，以传递电信号、电源供应或其他电连接，通常是以金属或合金材料制成的小型金属针脚。
，高端芯片通常具有更高的性能、更多的功能和更高的集成度，适用于高性能计算、人工智能、图形处理等领域；低端芯片则主要针对低功耗、低成本和基本功能需求的应用，常见于消费电子、嵌入式系统、物联网设备等领域。，常见的如光纤通信、无人机NG体育官网app下载、人工智能、虚拟现实（VR）、智能穿戴设备、3D打印机、自动驾驶、物联网、高性能计算等等，这些产品通常基于先进的电子、通信、材料和计算技术，为人们的生活和工作带来了很多便利和创新。，芯片的成本是一个复杂而动态的问题，具体的成本取决于多个因素，通常包括：设计和研发成本、制造成本、测试成本、封装和测试成本。此外，芯片的定价也会受到供求关系、市场需求和竞争状况等因素的影响。
，一些知名的芯片制造商如：英特尔、AMD、NVIDIA、台积电、三星电子等，这些公司在不同的领域和市场中发挥着重要作用，推动了芯片技术的发展和创新。，芯片可以植入人体，一些常见的应用场景：① 医疗设备监测：植入式芯片可以用于监测患者的生理参数，例如心脏节律、血压、体温等；② 可植入药物释放：植入式芯片可以用于药物传递和释放，控制药物的释放速率和剂量，从而提供定制的治疗方案；③ 生物识别和身份验证：植入式芯片可以用于个人身份验证、门禁系统和支付系统等，提供更方便和安全的身份验证方式；④ 神经调节和刺激：植入式心脏起搏器用于调节心脏节律，或植入式脑起搏器用于治疗帕金森病等神经系统疾病。，芯片越小，集成度越高、功耗越低、速度更快、成本更低、应用更广泛（特别是移动设备、便携式设备和嵌入式系统等对尺寸和重量要求较高的领域），但小尺寸的芯片对制造工艺和材料的要求更高，对散热和信号干扰的管理更为复杂。
，芯片在工作过程中会产生热量，如果热量不能有效散发，会导致芯片温度升高，进而影响芯片的性能、可靠性和寿命。对于大多数商用芯片，常见的工作温度范围通常在 -40°C 至 85°C 之间，这个范围被认为是一般工业和商业应用中可接受的范围。，芯片的生命周期是指从设计、制造、销售到退役的全过程，涵盖了芯片的各个阶段和相应的活动，一般来说，芯片的生命周期可以从几年到十几年不等，且芯片行业一直处于快速变化和不断进步的状态，旧的芯片会被更先进的技术所取代。
芯片的“极限”芯片发展至今已经有60多年了，它有没有极限呢？有一天它会不会退出历史舞台呢？我认为任何事物的发展都有极限，不过我们离这个极限还很远很远。
现行的科学技术还是有极限的，半导体现有技术遇到的第一个极限就是物理极限。
栅极氧化层示意图（左）和扫描电镜图像（右）目前半导体在不断地在做小，尺寸已经缩小到了纳米量级。尺寸达到纳米量级之后，最大的问题是我们很难避免漏掉电子，就像筛子做的不够密会导致很多东西掉下去。半导体的主要材料——栅极氧化层是尺寸最小的一层物质，只有1.5纳米。当线纳米时，电子会穿过它漏下来，产生漏电现象，无法进行控制。这个可能是现行技术能够达到的最小尺寸，但不是最终尺寸，我们还有很多新技术可以解决这个问题。
半导体现有技术的第二个极限是功耗极限。如果不对功耗加以控制，手机电池耗电极快，几分钟就要充一次电。由于技术的不断发展，现在的手机可以一天充一次电，其实我们最理想的状态是一部手机一个星期充一次电就好。如果智能手机的电池功耗能够达到这种状态，我们的生活会方便很多。
20世纪90年代预测的芯片功率密度的增长趋势（左）和功率密度的实际增长情况（右）在提供大量功能的同时，半导体自身也需要耗电。我们用能量密度，或者功耗密度，来表征它的功耗情况。家里用的电熨斗的功耗密度是每平方厘米5瓦，它运行起来很烫，能将我们烫伤。早在上世纪的90年代，半导体的功耗密度就已经超过了每平方厘米10瓦，比电熨斗还烫。如果当时我们没有发展任何新技术，到2005年可能功率密度就会达到每平方厘米100瓦。但是，经过20年的技术发展，半导体的功能在不断提升，功耗并没有明显的上升，这是非常重要的进步。
工艺节点发展路径半导体现有技术的第三个极限是工艺、器件和材料。今天我们往往用多少纳米来表征集成电路的先进性。世界上最先进的大概是7纳米，目前在大批量量产，很快5纳米也会量产，我们国家也实现了14纳米的大批量生产。在生产过程中出现了很多不同的节点，每次缩小到原来的0.7倍，以此一直不停地前进。
不断演进的晶体管结构在发展过程中，最基础的器件是晶体管，晶体管也在不断演进。图片最左边是前一代晶体管，即平面型晶体管。平面型晶体管的硅上有条沟道，两端是源和漏NG体育官网app下载，上面通一个栅极来控制沟道的电流是否通过。随着体积变小，源和漏逐渐靠近，电子跑的很快无法控制，怎么办？
于是我们发明了鳍式晶体管，也称为FinFET。FinFET中间有一个像鱼鳍一样提起来的东西，用栅把它包起来，三面环栅，就有了比较强大的电场，可以控制电子能否通过。
但是到了5纳米时，鳍式晶体管也行不通了。我们需要做一个全包围栅的晶体管，用一个全包围栅把沟道全围起来，叫做Gate-All-Around（GAAFET）。
平面型晶体管在22纳米时出现了换代，鳍式晶体管在5纳米时也会出现换代，5纳米之后将出现全包围栅晶体管。所以晶体管结构在不断地变化发展。这种变化背后有很多的科学技术，其中最重要的是半导体材料的创新。
如何制造一块芯片？那么，我们如何制造一块芯片呢？制造芯片是人类历史上最为复杂的制造工艺。集成电路一般分成五大版块，包括设计、制造、封装测试、材料和装备。
集成电路产业的五大板块通常我们讲集成电路主要是指设计、制造和封测。最近几年情况发生变化，我们把材料和装备也纳入集成电路的范畴。
很多人可能不了解什么叫设计、制造和封测，我用一个简单的例子来类比，虽然不是很准确，但是我们可以大概理解其中的内容。
设计、制造、封测三业相对独立的产业生态集成电路的设计相当于一个作家在写作，它是一个创作的过程，是一个知识产权密集的过程，也是一个人才密集的过程。
作家写作完成之后需要印刷。这个印刷厂需要进行非常精密的印刷，字印得很小又很清晰，还能成千上百地印刷，中间不走样。这就相当于集成电路的制造。它是规模化制造导向、设备密集、投资密集和专利密集的产业。
书本印刷之后需要装订，避免书本散架，装订过程中需要用到的材料还要防止磨损。装订也是一个非常重要的工作，需要检查装订是否正确、整齐，这就相当于集成电路的封测。因此，写作、印刷、装订基本上对应了设计、制造、封测。
集成电路芯片结构示意图芯片的制造高度复杂。如果我们打开一个芯片，会发现芯片里有几十层异常复杂的东西，包括介质层、存储器、互联、接触孔和晶体管等等。
我们用什么方式来建造如此复杂的芯片呢？芯片是靠一层一层的掩模板曝光刻蚀技术来建造的，这是鲍勃·诺伊斯发明并且沿用至今的技术。
集成电路芯片制造工艺流程示意图真正去看集成电路的制造工艺，如果从单晶开始考虑的话，它经过的步骤非常长。从拉单晶、磨外圆、切片、倒角到最后引线键合、模塑、切筋成型、终测等等，这是一个非常长的产业链，它涉及到了材料、装备、设计、制造和封测等几乎每个环节。
我们举个简单的例子。我们有个晶圆片，在晶圆片的上面做一个氧化层。氧化层可以帮助我们阻挡一些不该进入到硅片的东西。蒸了一层氧化层后，就要在氧化层上涂一层光刻胶。在光刻胶上方放置掩膜版。光源从上面照下来，把掩膜版上的图形映射到涂了光刻胶的硅片上。随后去做显影，去掉暴露在光线里的光刻胶，只留下阴影挡住的那一块，即图中的L形。然后做刻蚀，把下面的氧化层刻掉。最后去掉L形上面的胶，这时就有个L形停留在硅片上面，这就是光刻技术。
这里我只简单展示了光刻技术中的七个步骤，如果加上清洗等环节，一层光刻过程可能包含十几个步骤。
我们今天的芯片制造可能会涉及到很多层，例如，在7纳米时候曾经高达到85层。优化之后，到7nm＋时我们只有75层。但是到5纳米时，我们又回到80层。
每一层都含有几十个简单的步骤，相乘之后，我们的制造就会有极多的步骤。例如，在10纳米时，我们就会有3000步。所以我们常用层数来表征制造的复杂度。如果制作1层需要1天的时间，那么我们制作5纳米就需要80天，所以集成电路需要很长的时间去制造。
但也要承认我国是一个起步比较晚的国家，在芯片上仍然有很多短板，在高端芯片上还有很多是依赖国外的。但我们确实在不断地进步，上面这张表格中的数字这些年在不断提升，但是还有一些部分的市场占有率数字小于0.5。这并不意味着我们没有，只是我们还不能够在市场上占有重要的地位，这也是我们努力的方向。总而言之，高端芯片还没有摆脱对进口的依赖，这也是近两年我们为什么如此关注芯片的缘故。特别是在国际形势发生变化的时候，芯片带来的一些痛处，让我们非常难受，我们要加速努力。
