如果提到芯片，很多人第一反應可能就只有電腦里的 CPU。那么芯片到底是什么？在網絡中進行搜索，芯片指的是一種集成電路，在電子學中是一種將電路（主要包括半導體設備，也包括被動組件等）小型化的方式，并時常制造在半導體晶圓表面上。簡單來說，芯片就是半導體上單種或多種集成電路形成的產品，而集成電路并不像我們中學學到的電線電路，而是一些微型電路。

由集成電路和芯片構成的主板。圖庫版權圖片，不授權轉載

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

芯片的應用非常廣泛，因此其分類也十分復雜。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 只是芯片所發揮的各種功能中的一種。

01

芯片的分類

按照功能分類，芯片可以分為 4 種，分別是：

• 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；
• 以內存芯片 ROM（只讀存儲器）、DRAM（動態隨機存儲器）為代表的存儲芯片；
• 以相機核心 CMOS（互補金屬氧化物半導體存儲器）為代表的感知芯片；
• 以 AC/DC 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。

可以這么說，人們日常生活的方方面面都離不開芯片。

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

比如，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卻用這么“慢”的 CPU 呢？這是因為二者的工作環境存在差異。

手機芯片安穩“躺”在主板上，室溫穩定，遠離水、磁，還有散熱片防止它“發燒”，這樣的工作環境，完全可以用“舒適”來形容。我們好吃好喝的照顧，它還偶爾會抽風死機。而嫦娥四號的 CPU 所處的太空環境溫差達到 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、結構等各個方面進行特殊設計，從而使其能夠與宇宙環境作“對抗”。

因此，對于軍工產品或航天設備來說，保證芯片在不同復雜環境條件下的工作穩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

如今，芯片的制程工藝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量越來越多，人類在 CPU 上的工藝進步逐漸放緩，現在的制程和柵極長度已無法匹配。

02

從模擬信號到數字信號

開啟自然界的數字化篇章

自然界的事物都是連續的，如連續的時間，連續的水流，“連續”的長度。最初科學家的發明也是“連續的”，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材料感光，類似于人眼的頻譜映射，從而產生圖像。這種“連續”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。然而，現實情況果真如此嗎？

信號在傳輸過程中要經過許多環節的處理和轉送，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備也會產生電磁干擾。如果是人類所追求的無線傳輸，開放環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，嚴重影響通訊質量。為此，人們想了許多辦法努力恢復模擬信號，但都無法從根本上解決干擾的問題。

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不過，后來人類發現，如果將連續的模擬信號轉化成離散的數字信號，問題就會迎刃而解。雖然相較模擬信號而言，離散的數字信號天生就存在誤差和分辨率，但由于數字信號在運輸過程中具有天生的優勢，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。

從發明數字信號這一刻開始，自然界的數字化進程便開始了。想要得到連續的圖像？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二進制數字。想要得到連續的聲音？也可以！先將連續信號離散化，然后將每部分用二進制表示，二進制的位數反映了聲音波形的精度，最后再進行編碼即可變成數字。

模擬信號（上）和數字信號（下）

幾乎自然界所有物體都可以被我們在數字世界模擬出來，最終世界“歸于”1 和 0 兩個數字。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。

03

半導體

芯片“揮灑文采”的“白紙”

正如詩人滿腹經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”，去展現它的“實力”。而半導體——主要是由高純度硅制作的硅片，就可以作為“白紙”，讓電路設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體作為“白紙”呢？為什么人們在眾多半導體中又選擇了“硅”這種元素呢？

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半導體有很多神奇的性質，它區別于容易導電的導體和幾乎無法導電的絕緣體。從字面意思而言，可以將半導體理解為一種導電性介于導體和絕緣體之間的物質。然而，半導體遠沒有這么簡單，“半”更體現在“變”，它的導電性可以隨條件變化而發生劇烈的轉化。

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

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

如果將電路的通看作“1”，斷看作“0”，就會發現芯片的通斷居然和數字信號如此融洽。如果自然界可以由0和1組成，那么半導體就是構建世界的畫筆。依據半導體神奇的特性，以它為原材制備的芯片可以實現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字的時代。

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04

半導體中的“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，并且此后整個行業也一直試圖找出可以替代硅的其他半導體，砷化鎵、氮化鎵等半導體也隨之應運而生，但它們都無法取代硅在芯片行業中統治般的地位。這是由于硅有如下幾個巨大的優勢：

1. 首先，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。

2. 摻雜性好。半導體的優勢之一就是摻雜性，而硅正是最適合摻雜的材料之一。

3. 此外，硅的物理和化學性質相對更穩定，做出的芯片不容易損壞。

4. 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速度，從而提升芯片的性能。

5. 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“一拍即合”，結合的產物就是現在的集成電路平面工藝。

6. 最后，硅容易提純。經過數十年的研究，現在我們已經能夠生產純度高達99.999999999%的硅，這幾乎是自然界中最純凈的物質。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量越來越多，芯片結構長度達到納米級別，在這種情況下，制作如此精密的結構所需要的“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、高清潔度和低雜質污染度的屬性，才能完美保持芯片設計的功能。

硅片，圖庫版權圖片，不授權轉載

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。

出品｜科普中國

作者｜王智豪（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所）

監制｜中國科普博覽

選送單位：中國科學院計算機信息網絡中心

本文封面圖片及文內圖片來自版權圖庫

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