芯片到底是什么？

假设一百年或者几百年之后，回顾2018年到2019年的大国关系，未来的人们可能发明一个新词，或许就叫做芯片战争。虽然这种战争暂时还没听到枪炮声响和看到硝烟，但是对未来世界格局的深远影响，可能不亚于一场次级别的世界大战。这是因为围绕芯片这种国际商品而产生的交易额，是当今全球原油交易市场总额的数倍。围绕石油的大战已经不止一次，现在围绕芯片开始的激烈斗争，也将重构二十一世纪上半叶的基本世界格局。那么现在大家几乎天天听到芯片这个词。那么芯片到底是什么，为何设计和生产芯片成了一门高技术，对大多数人来说，恐怕都是半懂半不懂，或假装听得懂，也算一种基本态度。芯片说到底，其实就是一种微电路。那么什么又是电路？打开电脑的机箱，或者任何一种有程序化功能的电器内部，都会看到电路板。芯片就是一种极度微小但功能强大的微缩逻辑电路。

现代集成电路是由基尔比在1958年发明的。因此荣获2000年诺贝尔物理奖，实用集成电路的发明人是诺伊斯，因过世早而未能同时获奖，诺贝尔所有奖项只发给在世的人。

集成电路可以把很大数量的微晶体管集成到一个小的纯硅的薄片上，这是一个巨大的进步。

集成电路相对离散晶体管有两个主要优势：成本和性能。成本低是由于芯片把所有的组件通过照相平版技术，作为一个单位印刷，而不是在一个时间只制作一个晶体管。性能高是由于组件快速开关，消耗更低能量，因为组件很小且彼此靠近。现在已经进入纳米级，比如7纳米级的芯片，一平方厘米面积内就可以集成64个亿的微元件，已经接近物理规律的极限，再靠的更近，电子可能就直接穿透了电路之间的空间自然隔离，导致芯片电路自然失效了，这就是摩尔定律在微电子领域内的作用。

先进的集成电路是微处理器或多核处理器的核心，可以控制计算机到手机等一切电子设备。虽然设计开发一个复杂集成电路的成本非常高，但是当分散到通常以亿计的产品上，每个集成电路的成本最小化。最终利润就足够丰厚。

制作芯片的基础材料是单晶硅薄片。单晶硅是经过早年的多次试验后，认为是最合适的大规模制作集成电路的半导体材料。成为集成电路主流的基层。硅元素在地球地壳中含量很高，比如沙子水泥都含有大量的硅元素，但是能利用的是纯度极高的单晶硅，也就是提炼出不含亿分之一杂质的硅结晶，这种结晶体，直径越粗壮越好，越大的结晶，可以切割成直径越大的圆盘薄，在这种薄片上可以印刷更多的呈现长方形的小芯片。单晶硅圆盘的制作直径，是芯片加工企业的第一个技术高低的指标。过去研发无缺陷纯单晶硅晶体的方法就用了数十年的时间。制作芯片的基材，除了使用单晶硅，还有III-V族材料，比如砷化镓也可以。

现在流水线式的单晶硅芯片的制作完整过程包括芯片设计、晶片制作、封装制作、测试等几个环节，其中晶片制作过程尤为的复杂。首先是芯片设计，根据设计的需求，生成的“图样”。而制造芯片的原料是晶圆。晶圆的成分是纯硅，硅是由石英沙所精练出来的，晶圆便是硅加以纯化99.9999999%，接着是将这些纯硅制成硅晶棒，成为制造集成电路的石英半导体的材料，将其切片就是芯片制作具体所需要的晶圆。晶圆越薄，直径越大生产的成本越低，但对工艺就要求的越高。

然后对晶圆进行涂膜，涂膜能抵抗氧化以及耐温能力，其材料为光阻的一种。再往后是晶圆的光刻显影、蚀刻。光刻工艺的基本流程。首先是在晶圆或衬底表面涂上一层光刻胶并烘干。烘干后的晶圆被传送到光刻机里面。光线透过一个掩模，把掩模上的图形投影在晶圆表面的光刻胶上，实现曝光，激发光化学反应。对曝光后的晶圆进行第二次烘烤，即所谓的曝光后烘烤，后烘烤是的光化学反应更充分。最后，把显影液喷洒到晶圆表面的光刻胶上，对曝光图形显影。显影后，掩模上的图形就被存留在了光刻胶上。如果看不明白这一点，就可以把晶圆看做老式胶卷照相机的显影工艺。

涂胶、烘烤和显影都是在匀胶显影机中完成的，曝光是在光刻机中完成的。匀胶显影机和光刻机一般都是联机作业的，晶圆通过机械手在各单元和机器之间传送。整个曝光显影系统是封闭的，晶圆不直接暴露在周围环境中，以减少环境中有害成分对光刻胶和光化学反应的影响。

这个复杂的过程使用了对紫外光敏感的化学物质，即遇紫外光则变软。通过控制遮光物的位置可以得到芯片的外形。在硅晶片涂上光致抗蚀剂，使得其遇紫外光就会溶解。这时可以用上第一份遮光物，使得紫外光直射的部分被溶解，这溶解部分接着可用溶剂将其冲走。这样剩下的部分就与遮光物的形状一样了，而这效果正是所要的。

下一个工序是掺加杂质，将晶圆中植入离子，生成相应的P、N类半导体。具体工艺是从硅片上暴露的区域开始，放入化学离子混合液中。经过上面的几道工艺之后，晶圆上就形成了一个个格状的晶粒。通过针测的方式对每个晶粒进行电气特性检测。将制造完成晶圆固定，绑定引脚，按照需求去制作成各种不同的封装形式。经过上述工艺流程以后，芯片制作就已经全部完成了，最后步骤是将芯片进行测试、剔除不良品，最后包装上市。

11：从芯片说起~芯片是什么

芯片是什么？大家可以看很多的书，前面有很多导论都有介绍芯片的发展，集成电路技术的演进，很多文章也会介绍包括现在成为焦点的光刻机。

在这儿，我只想给软件行业的同事介绍下芯片是如何决定了软件。不会涉及芯片硬件相关的知识。

一个牛人

我们先来点看起来不想干的知识。介绍一位牛人~图灵。相信大家都听说过图灵测试，甚至有的人还听说过图灵完备的概念。图灵其实也算是计算机的奠基人，冯诺依曼结构在我个人看来，算是对图灵的设想的实现。

图灵的计算机

图灵的计算机非常简单，如下图：

图灵计算机

图灵的计算机将一条纸带上的信息作为输入，机器上内置了一些基本程序，通过不断地读取输入，就能在纸片上给出输出结果。简单的说，你在纸片上写上”1+2“，然后机器就会在纸上打印“3”。

大家发现没有？这跟我们现在看到的芯片是不是很相似。不同的是：芯片的输入是通过总线，其实就是几根线（总线）不断地读取输入（指令），然后根据指令内容改变自己本身的状态（寄存器），最后将计算结果（寄存器）通过几根线（总线）输出出来。

总结一下，芯片在软件人员看起来是什么：芯片其实就是实现了很多“基础函数“的集合体，如果我们要用芯片，就要把复杂的动作拆分成芯片能够识别的函数，然后就可以让芯片干活了。这其实就是个分层设计思想：每层只需要实现最简单、够用的接口，剩下的事跟我没关系，是别的模块儿的事。

芯片IP ：芯片IP，用软件的概念来理解，就是把软件能够干的事，直接让硬件干。我就设计一套电路，能够自动的模拟软件完成计算，这就是IP。就好比外国的机械工程师，他们可以纯机械实现一个计算器。芯片就是拿电路开关实现了一个“计算器”。

芯片的“基本函数”

前面我们说，芯片本质上是电路直接模拟软件完成计算。有一个问题是：现在我们能看到的随便一个复杂的系统，比如Linux，他编译完的二进制镜像内容是很大的，可能有几十个G。这么大的系统，让芯片来模拟可是不行的，复杂度太高。那么芯片应该做到什么程度呢？

自然大家就都能想到的：分层设计啊。我的芯片只做基本功能，剩下的你就调用我芯片的接口就行。这里面引入了软件领域开发常见的一个定律“太复杂你就封一层”。分层设计当然有缺点，如果芯片只做基本功能，那么算法是否高效就取决于码农了，因为芯片只能看到一个个基本接口。这也是为什么现在各种“NPU”芯片热起来的原因，他们要用更为高效、也更为复杂的“基本操作”来帮助码农提升代码性能。回到最开始的一段文字：如果你能将整个神经网络代码全部转换为硬件电路，那你的芯片一定非常快。事实上，这样的芯片已经早就问世了。

大家肯定都能想到的一点：加法、减法、乘法啊！天天看了那么多技术书籍，全都是在讲和强调运算的，怎么用补码，怎么用其他运算实现除法。计算机最初发明的目标也是完成复杂的计算，所以运算操作也是必须的。

但是，“但是”来了。基本的运算芯片是可以做了。如果我给你一个芯片，每次的运算结果你都要自己记下来，然后再输入一次才能完成下次运算。比如一个简单场景：

a = 1

b= 2

c = a + b

d = c - 1

如果芯片要求你必须这么搞：

步骤1：人肉输入a=1

步骤2：人肉输入b=2

步骤3：人肉启动加法器，得到运算结果3

步骤4：人肉观察运算结果，得到3

步骤5：人肉输入c=3

步骤6：人肉启动减法器，得到d=2

发现没，每一个步骤都需要手工做，这不是把人逼疯了。特别是“优秀的程序员都是懒人”，这也得把懒人逼死了。所以我们得把“人肉”操作替换为芯片的操作，让芯片替我们干活。那么我们该怎么做：

从上图可以看出，我们还要增加一种指令：数据传送指令，能够从存储器中读取指令和回写结果。

总结：芯片的基本操作有加、减、乘基本运算指令，还有读取指令回写结果的数据传送指令。有这些我们就可以构建最原始的计算机。

计算机课程上指令其实分为四种：

数据处理指令：包括算术运算指令、逻辑运算指令、移位指令、比较指令等

数据传送指令：包括寄存器之间、寄存器与主存储器之间的传送指令

程序控制指令：包括条件转移指令、无条件转移指令、转子程序指令

状态管理指令：包括诸如实现置存储保护、中断处理等功能的管理指令

总结

芯片单纯从软件角度看，就只是一些基本函数的实现。只不过现在使用半导体集成电路实现了而已，你当然可以用机械的方式实现，或者其他任意的方式，只要它能够实现“基本函数”。这也是生化计算机、机械计算机等等能够行得通的原因。

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