芯片=电脑CPU？打住！它远没有你想象的简单

出品：科普中国

作者：王智豪（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所）

监制：中国科普博览

芯片是什么？在网络中进行搜索，芯片指的是一种集成电路，在电子学中是一种将电路（主要包括半导体设备，也包括被动组件等）小型化的方式，并时常制造在半导体晶圆表面上。简单来说，芯片就是半导体上的电路，而这种电路是微型的，因此芯片被称作集成电路。

“芯片”的“芯”指的是它的重要性。在现代社会中，很多芯片扮演着“大脑”的作用，作为设备的核心，芯片的使用让设备变得“智能”。而“芯片”的“片”则代表它的形态，芯片大部分都是片型，这种高度集成的形态便于将其放入各种设备中。

芯片的应用非常广泛，因此其分类也十分复杂。提及芯片，大部分人可能会单纯将芯片和电脑CPU划上等号。然而，芯片所涵盖的范围远不及此，电脑CPU只是芯片所发挥的各种功能中的一小部分。

芯片的分类

按照功能分类，芯片可以分为以电脑的核心CPU（中央处理器）、GPU（图像处理的芯片）为代表的计算芯片，以内存芯片ROM（只读存储器）、DRAM（动态随机存储器）为代表的存储芯片，以相机核心CMOS（互补金属氧化物半导体存储器）为代表的感知芯片，以及以ACDC电源管理芯片为代表的能源芯片和以5G为代表的通信芯片等。可以这么说，芯片的种种功能涉及人们日常生活的方方面面。

CPU、GPU、RAM、CMOS、5G芯片宣传图

（图片来源：Intel官网、Nvidia官网、veer图库）

此外，芯片的制程工艺也越来越受到到人们的重视。所谓的几纳米工艺，以前通常指的是芯片中晶体管的栅极长度，数字越小就代表着单位面积芯片的晶体管集成度越高，其性能也越强。然而，随着芯片的晶体管数量越来越多，人类在CPU上的工艺进步逐渐放缓，现在的制程和栅极长度已无法匹配。

现在的制程指的是工艺的名称，例如，某公司的10nm工艺实际栅极长度实际为54nm。通俗来说，以白酒行业的年份酒举例，5年、10年、30年等的年份标注，并不是真实窖藏时间，而是一种标识。如果按照制程工艺来划分，也可以大致分为28nm、14nm、7nm到近年的5nm、4nm等类型。

Intel工艺进步，横坐标表示年份，纵坐标表示单位面积晶体管数量，单位百万

（图片来源：Intel官网）

按照不同应用场景分类，芯片还可以分为消费级、工业级、汽车级和军工级芯片。除性能外，它们的主要区别在于工作温度及环境承受能力。

告诉你一个冷知识，我国嫦娥四号的CPU的运算速度只有你手机芯片的几十分之一，可能你会感到奇怪，为什么如此先进的登月技术却用这么“慢”的CPU呢？这是因为二者的工作环境存在差异。

手机芯片安稳“躺”在主板上，室温稳定，远离水、磁，还有散热片防止它“发烧”，这样的工作环境，完全可以用“舒适”来形容。我们好吃好喝的照顾，它还偶尔会抽风死机。而嫦娥四号的CPU所处的太空环境温差达到300℃，而且时时刻刻都暴露在致命的宇宙辐射下。因此，嫦娥四号的CPU需要从材料、系统、结构等各个方面进行特殊设计，从而使其能够与宇宙环境作“对抗”。

因此，对于军工产品或航天设备来说，保证芯片在不同复杂环境条件下的工作稳定性和可靠性才是最重要的考虑因素。

嫦娥四号

（图片来源：中华人民共和国中央人民政府官网）

从模拟信号到数字信号——开启自然界的数字化篇章

自然界的事物都是连续的，如连续的时间，连续的水流，“连续”的长度。因此，最初科学家的发明也是“连续的”。例如，有线电话和无线广播都是直接传送和源头一模一样的声音波形，早期的胶片摄影依靠化学材料感光，类似于人眼的频谱映射，从而产生图像。这种“连续”信号我们将其称为“模拟信号”。模拟信号完整捕捉或还原了自然，其看似是一个很完美的技术。然而，现实情况果真如此吗？

信号在传输过程中要经过许多环节的处理和转送，在这些过程中，模拟信号会受到干扰；同时，如果是有线传输，其线路附近的电气设备也会产生电磁干扰。如果是人类所追求的无线传输，开放环境由于存在更多的不可抗力因素，使得模拟信号几乎无法使用，严重影响通讯质量。为此，人们想了许多办法努力恢复模拟信号，但都无法从根本上解决干扰的问题。

不过，后来人类发现，如果将连续的模拟信号转化成离散的数字信号，问题就会迎刃而解。虽然相较模拟信号而言，离散的数字信号天生就存在误差和分辨率，但由于数字信号在运输过程中具有天生的优势，它可以大大缓解信号的干扰与噪声。因此，困扰人们多年的问题得到了解决。

从发明数字信号这一刻开始，自然界的数字化进程便开始了。想要得到连续的图像？可以！将图片拆解为一块一块像素，再将每个像素的颜色分为红绿蓝不同亮度的组合，图像就可以变成无数二进制数字。想要得到连续的声音？也可以！先将连续信号离散化，然后将每部分用二进制表示，二进制的位数反映了声音波形的精度，最后再进行编码即可变成数字。

几乎自然界所有物体都可以被我们在数字世界模拟出来，最终世界归于1和0两个数字。所以那句“世界是你们的，也是我们的，但终究是程序员的”很有道理。

声音的模拟信号和数字信号，连续为模拟信号，离散为数字信号

（图片来源：veer图库）

半导体——芯片“挥洒文采”的“白纸”

正如诗人满腹经纶的文采需要挥洒在白纸上，芯片上的逻辑电路也需要这样一张“白纸”，去展现它的“实力”。而半导体——主要是由高纯度硅制作的硅片，就可以作为这张白纸，让电路设计师在上面肆意挥洒智慧，制作出各种功能的高性能芯片。因此，在芯片中，半导体和集成电路同样重要。但你有没有想过，为什么人们会选择半导体作为“白纸”呢？为什么人们在众多半导体中又选择了“硅”这种元素呢？

芯片结构3D示意图

（图片来源：Intel官网）

半导体有很多神奇的性质，它区别于容易导电的导体和几乎无法导电的绝缘体。从字面意思而言，可以将半导体理解为一种导电性介于导体和绝缘体之间的物质。：“半”即为“导体导电性的一半”。然而，半导体远没有这么简单，“半”更体现在“变”，它的导电性可以随条件变化而发生剧烈的转化。

首先是掺杂。纯净的半导体接近绝缘体，几乎无法导电。但如果在半导体中掺杂，它的导电性会急剧增加，如果掺杂过多，甚至会像导体那样非常容易导电。此外，掺杂不同的原子，可以让半导体呈现或正或负的电性，分别称为P型半导体和N型半导体。根据这两种半导体，科学家们制作出了二极管、三极管等设备，这些设备可以用来制作能够加减乘除的运算器、实现与或非的逻辑电路、完成复杂的运算。

其次是电压。如果将P型和N型半导体碰在一起，它们内部的电子在电场或扩散等的作用下，会在两种半导体间形成一个“耗尽层”。当施加不同方向的电压时，增厚或减薄耗尽层，同样可以实现电路的通或断。而这种电压控制下的通断转化，是迅速的、可逆的、可反复进行的。

如果将电路的通看作“1”，断看作“0”，就会发现芯片的通断居然和数字信号如此融洽。如果自然界可以由0和1组成，那么半导体就是构建世界的画笔。依据半导体神奇的特性，以它为原材制备的芯片可以实现你能想象到的所有功能。无论是在游戏中模拟出无法分辨的真实世界，还是打造极像人类思维的人工智能，芯片最终可以将人类送入数字的时代。

黑客帝国

（图片来源：veer图库）

半导体中的“佼佼者”——硅

硅并不是天生的宠儿。最初，人类选择锗作为芯片材料，并且此后整个行业也一直试图找出可以替代硅的其他半导体，砷化镓、氮化镓等半导体也随之应运而生。但它们都无法取代硅在芯片行业中统治般的地位。这是由于硅虽然是半导体中的一员，但它却有着其他半导体难望项背的巨大优势。

首先，资本最看重的是成本，而硅在自然界中极其丰富。硅在地壳中的含量达到28.6%，广泛存在于岩石、砂砾、尘土之中，仅次于氧，甚至硅在宇宙中的储量排在第八位，有先见之明的科学家已经为“征服”宇宙做好了准备。

其次，半导体的优势之一就是掺杂性，而硅正是最适合掺杂的材料之一。此外，硅的物理和化学性质相对更稳定，做出的芯片不容易损坏。

同时，硅还具有极好的电子迁移率。迁移率指的是载流子（电子和空穴）在单位电场作用下的平均漂移速度，即载流子在电场作用下运动速度的快慢程度。迁移率是材料的电导率的决定性因素之一，迁移率越大，电阻率越小，通过相同电流时，功耗越小，产生的热量少，因此电流承载能力就越大。除功耗小以外，高迁移率还会影响到器件的工作频率。例如，晶体管的截止频率和载流子迁移率成正比，因此，提高载流子迁移率，就能够提升晶体管的开关速度，从而提升芯片的性能。

此外，硅有着致密氧化物——氧化硅。氧化硅不溶于水也不溶于大部分酸，这和印刷电路板技术“一拍即合”，结合的产物就是现在的集成电路平面工艺。

最后，硅容易提纯。经过数十年的研究，现在我们已经能够生产纯度高达99.999999999%的硅，这几乎是自然界中最纯净的物质。提纯对于芯片制作而言非常重要，随着一枚芯片中所包含的晶体管数量越来越多，芯片结构长度达到纳米级别，在这种情况下，制作如此精密的结构所需要的“白纸”就需要尽可能平整，洁白，即硅片需要具有高纯净度、高平整度、清洁度和低杂质污染度的属性，才能完美保持芯片设计的功能。

硅片

（图片来源：veer图库）

看到这里，或许可能有人想知道，既然硅片的作用如此重要，想必它的制作过程一定很困难。其实，制作硅片的过程并不难，但如何才能制作出这么纯净的硅片呢？请听下回分解。

编辑：应奕可