说到芯片，很多人首先想到的可能是计算机中的中央处理器。那么芯片到底是什么呢？芯片一词指的是一种集成电路，在电子学中是一种小型化电路的方式(主要是半导体器件，但也有无源元件等)，通常在半导体晶圆的表面。简单地说，芯片是半导体上单个或多个集成电路的产物，集成电路不是我们在高中学到的电线，而是微型电路。

由集成电路和芯片组成的主板。图库版权图片，未经授权转载

芯片的“核心”是指它的重要性。在现代社会中，很多芯片扮演着“大脑”的角色，作为设备的核心，芯片的使用使得设备变得“智能”。“芯片”的“芯片”代表了它的形式，而芯片多为芯片，集成度高，易于装进各种设备。

芯片的分类很复杂，因为它们的应用范围很广。说到芯片，大多数人可能会简单地认为它们是计算机的cpu。然而，该芯片覆盖的范围远不止这些，计算机CPU只是该芯片执行的各种功能之一。

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芯片的分类

根据功能分类，芯片可分为四种类型：

以计算机核心CPU(中央处理器)和GPU(图像处理芯片)为代表的计算芯片；存储器芯片以ROM(只读存储器)、DRAM(动态随机存取存储器)为代表的存储器芯片；以CMOS(互补金属氧化物半导体存储器)为核心的传感器芯片；以AC/DC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。可以说，人们日常生活的方方面面都离不开芯片。

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根据不同的应用场景，芯片还可以分为消费级、工业级、汽车级和军用级。除了性能之外，它们之间的主要区别是工作温度和环境承载力。

比如，中国嫦娥四号的CPU，只比你的手机芯片快几十倍。你可能想知道为什么如此先进的登月技术使用如此“慢”的CPU。这是因为工作环境不同。

手机芯片稳定的“躺”在主板上，室温稳定，远离水、磁，还有散热片防止它“发热”，这样的工作环境，可以用“舒适”来形容。我们把它照顾得很好，偶尔它也会崩溃。嫦娥四号上的CPU暴露在300摄氏度温差的太空环境中，受到致命的宇宙辐射。因此，嫦娥四号的CPU需要在材料、系统和结构上进行特殊设计，才能“对抗”太空环境。

因此，对于军工产品或航空航天设备来说，保证芯片在不同复杂环境条件下的稳定性和可靠性是最重要的考虑。

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目前，芯片制造工艺越来越受到人们的重视。所谓“纳米级工艺”，用来指芯片中晶体管的栅极长度，数字越小，晶体管在芯片单位面积上的集成度越高，性能越强。然而，随着芯片上晶体管数量的增加，cpu的进步已经放缓，当前的进程和栅极长度不再兼容。

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从模拟信号到数字信号

开启自然的数字篇章

自然界中的事物都是连续的，比如连续的时间，连续的水流，“连续”的长度。科学家的第一批发明也是“连续的”。例如，有线电话和无线电广播将声波波形直接传输到震源。早期的胶片摄影依赖于化学敏化材料，类似于人眼的光谱映射来产生图像。这种“连续”信号就是我们所说的“模拟信号”。模拟信号完全捕捉或还原自然，似乎是一项非常完美的技术。但事实真的如此吗？

信号在传输过程中要经过许多环节的处理和传输，在这些过程中，模拟信号会受到干扰；同时，如果采用有线传输，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，由于更多的不可抗力因素，模拟信号很难在开放环境中使用，严重影响通信质量。为此，人们想了很多方法来恢复模拟信号，但都不能从根本上解决干扰问题。

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然而，后来人们发现，这个问题可以通过将连续的模拟信号转换成离散的数字信号来解决。虽然与模拟信号相比，离散数字信号具有固有的误差和分辨率，但由于数字信号在传输过程中的固有优势，可以极大地缓解信号的干扰和噪声。这样，困扰人们多年的问题就解决了。

从数字信号的发明开始，自然的数字化进程就开始了。你想要连续的图片？是的!通过将图像分解为像素，并将每个像素的颜色分为红、绿、蓝的不同组合，图像可以转换为无限个二进制数字。想要连续的声音？这很好!首先对连续信号进行离散化，然后将每个部分用二进制表示，二进制位反映声音波形的精度。最后，它被编码成一个数字。

模拟信号(上)和数字信号(下)

自然界中的几乎所有东西都可以被我们数字化模拟，最终世界“归结”为数字1和0。因此，“世界是你的和我们的，但程序员的”这句话很有意义。

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半导体

芯片的“白纸”

就像充满文学才华的诗人需要洒在白纸上一样，芯片上的逻辑电路也需要这样一张“白纸”，来显示它的“实力”。半导体——主要采用高纯度硅片制成，可作为“白纸”，让电路设计者肆意施展智慧，生产出多种功能的高性能芯片。因此，在芯片中，半导体和集成电路同等重要。但你有没有想过，为什么人们会选择半导体作为“白纸”?为什么在众多半导体中选择了硅？

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半导体有许多惊人的特性，使它们有别于容易导电的导体和几乎不导电的绝缘体。从字面上看，半导体可以理解为一种介于导体和绝缘体之间的导电物质。然而，半导体远没有这么简单，“半”更多的体现在“变”上，它的导电性可以随着条件的变化而发生巨大的变化。

第二是电压。如果p型和n型半导体放在一起，由于电场或扩散，它们内部的电子会在两种半导体之间形成“损耗层”。当向不同方向施加电压时，耗尽层可以增厚或减薄，电路也可以开或关。电压控制下的开关转换快速、可逆、可重复。

如果你把电路看成一个“1”，把它看成一个“0”，你会发现芯片的开关和数字信号是如此的和谐。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。由于半导体的惊人特性，由它们制成的芯片可以做你能想象到的任何事情。无论是在游戏中创造一个难以区分的真实世界，还是创造与人类思维非常相似的人工智能，芯片最终都将推动人类进入数字时代。

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半导体——硅中的“佼佼者”

硅并不是天生的宠儿。锗是最初的选择，从那时起，该行业一直在努力寻找硅的替代品。砷化镓、氮化镓等半导体应运而生，但一直无法取代硅在芯片行业的主导地位。这是因为硅有几个很大的优点：

1. 首先，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、砾石、尘埃中，仅次于氧气，甚至硅在宇宙中储量第八大。

2. 良好的兴奋剂。半导体的优点之一是掺杂，而硅是掺杂的最佳材料之一。

3.此外，硅的物理化学性质相对稳定，使得芯片不易损坏。

4. 硅也有很好的电子迁移率。迁移率是指电荷载流子(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移动的快慢。流动性是材料导电性的决定性因素之一。迁移率越大，电阻率越小。当通过相同电流时，功耗越小，产生的热量越少，因此载流能力越大。除了低功耗，高机动性也会影响设备的工作频率。例如，晶体管的截止频率与载流子迁移率成正比，因此增加载流子迁移率可以提高晶体管的开关速度，从而提高芯片的性能。

5. 此外，硅还有致密氧化物——氧化硅。氧化硅不溶于水，也不溶于大多数酸，这与印刷电路板技术“一拍即合”，结合起来的产品就是现在的平面集成电路技术。

6. 最后，硅很容易提纯。经过几十年的研究，我们现在能够生产99.999999999%的纯硅，这几乎是自然界中发现的最纯净的物质。净化对于芯片的生产是非常重要的，随着一个芯片中包含的晶体管数量越来越多，芯片结构的长度达到纳米级，在这种情况下，生产这种结构精密的“白纸”就需要尽可能的光滑、洁白，即硅片需要具有高纯度、高光洁度和低杂质污染的属性，才能完美地维持芯片设计的功能。

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在这一点上，有些人可能会想，如果硅晶圆如此重要，制造它们一定很困难。其实，制作硅片的过程并不难，但是怎么才能做出这么纯的硅片呢？来听下一个片段。