瞭解晶片的分類

晶片自1958年誕生以來，已有64年的發展歷史。晶片是科技時代的重要生產力，正像是第一、二次工業革命中的蒸汽機、內燃機，決定著一個時代生產力的強弱。在今天的資訊化社會中，晶片無疑是最重要的基礎支撐，無論是人們常用的手機、電腦及數碼產品，還是企業應用的資料中心、高效能計算、工業機器人，都離不開晶片。

那麼，晶片技術是如何由開始的不成熟，一步步發展成為今天高科技皇冠上的技術明珠？面對各種各樣的晶片，該如何進行系統的分類？本文將為讀者梳理晶片的幾種分類方式。

晶片是什麼

晶片之於電子裝置，就如發動機之於汽車，重要性不言而喻。它可以是一個巨大的產業，在資訊時代，晶片是各行業的核心基石，電腦、手機、家電、汽車、高鐵、電網、醫療儀器、機器人、工業控制等各種電子產品和系統都離不開晶片；它也事關國家安全，現代化的戰鬥機、軍艦或是坦克上都安裝有大量的晶片。晶片不僅代表著高效的運算效能，更是一個國家高階製造能力的綜合體現，是全球高科技國力競爭的戰略必爭制高點。

首先區分幾個常見的基本概念：

半導體、積體電路、晶片到底是什麼，有何區別？

半導體：是指常溫下導體和絕緣體之間的材料。生活中常見的收音機、電視、電子產品等，都與半導體密切相關，其中的電子元器件（電阻，電容，電感，二極體等），大多是半導體材料製造的。常見的半導體材料包括矽、鍺、砷化鎵等，晶片常用的半導體材料是矽。

積體電路：是一種微型電子裝置或元件。其採用一定的工藝，將電路中所需的電晶體、電阻、電容、電感等元件與佈線互連一起，製作在一小塊或幾小塊半導體晶片或介質基片上，然後封裝在管殼中，形成具有所需電路功能的微型結構；所有元件都在結構上形成了一個整體，這使得電子元件朝著小型化、低功耗、智慧化和高可靠性邁出了一大步。

晶片：是指內含積體電路的矽片，體積很小，是手機、計算機或者其他電子裝置的一部分。如果說人體最重要的器官是大腦，那麼晶片就是電子裝置的“大腦”。晶片又稱微電路（microcircuit）、微晶片（microchip），是半導體元件產品的統稱，是積體電路的載體，由晶圓分割而成。

事實上，晶片是積體電路封裝中的一個較大的半導體晶片，即管晶片。嚴格從定義上來說，積體電路≠晶片。積體電路是透過半導體技術、薄膜技術和厚膜技術製造的；任何以某種封裝電路形式小型化某種功能的電路都可以稱為積體電路。其範圍比晶片廣得多。晶片是人們以半導體為原材料，對積體電路進行設計、製造、封測後，得到的實體產品。當晶片被搭載在手機、電腦、平板上之後，它就成了這類電子產品的核心與靈魂。

但從狹義上說，我們日常提到的IC、晶片、積體電路其實並沒有什麼差別。平時大家所討論的IC行業、晶片行業指的也是同一個行業。

晶片及摩爾定律的誕生

19世紀30年代到20世紀初，英、法、德、美等國的科學家不斷髮現半導體存在的諸多特徵。隨後，半導體領域開始經歷從電子管、電晶體，到積體電路、超大規模積體電路的歷程。

一直到1946年2月14日，世界上第一臺電子數字計算機ENIAC（埃尼阿克，The Electronic Numerical Integrator And Calculator）在美國誕生。但其是一個龐然大物，主要由18000個電子管，1500個繼電器，70000個電阻器，10000個電容器，6000多個開關及其它器件進行組成，重達30英噸，佔地約170平方米。

1947年12月23日，第一塊電晶體在美國的貝爾實驗室誕生，使電晶體代替電子管成為可能。20 世紀50年代起，電晶體替代電子管，並最終實現了積體電路和微處理器的大批次生產。

1958年9月12日被視為世界上第一枚晶片的誕生日。這年，德州儀器的工程師傑克·基爾比藉助已有的幾種鍺器件，把金屬蒸鍍在鍺管的“發射極”和“基極”上，再用蝕刻技術做成接觸點，然後連線起來，製成了世界上第一塊積體電路。半年後，羅伯特·諾伊斯在快捷半導體公司發明了第一個真正的單片式IC晶片，是一種新的積體電路。諾伊斯的設計是由矽製成的，而基爾比的晶片是由鍺製成的。諾伊斯的單片IC將所有元件放在矽晶片上，並用銅線連線它們，使用平面工藝製造，不僅運算處理效能超群，而且價格低，對實現大批次生產積體電路具有重大意義。

1966年，美國貝爾實驗室使用比較完善的矽外延平面工藝，製造出第一塊公認的大規模積體電路。積體電路的發明是應用需求、技術發展及創新思想共同作用的結果，開啟了以微電子技術為基礎的計算機和資訊科技迅猛發展的新篇章。

1965年，戈登·摩爾（時任快捷半導體公司工程師，後為英特爾聯合創始人之一）發現了一個驚人的規律，即在晶片開發中，同樣面積晶片上電晶體數量每隔18-24個月增加一倍。這意味著晶片的儲存容量和計算能力相對於時間週期在持續呈指數式的上升。這就是指引了半導體行業超過半個世紀的摩爾定律。

對於摩爾定律的理解，可以從以下三個維度

：

1。

大小維度

：整合同等數量電晶體的晶片，每18-24個月所需的晶圓面積縮小一半；或者每隔18-24個月，相同尺寸矽晶圓上整合的電晶體數量將會翻倍。

2。

效能維度

：晶片效能每隔18-24個月，就會提高一倍。

3。

價格維度

：用一美元所能買到的計算機效能，每隔18-24個月翻一倍。

摩爾定律是戈登·摩爾的經驗之談。之所以說是經驗之談，是因為該“定律”並非自然科學的定律，而是戈登·摩爾經過長期觀察所總結出來的經驗。其預言了晶片的規模和效能。此後的幾十年來，計算機從一間屋子那麼大演變成筆記本大小；每個積體電路上電晶體數量有數十億個；普通家用電腦運算速度幾十億次，現在的“天河”E級超級計算機每秒鐘可以完成百億億次的運算。

從1965年到2022年，摩爾定律歷經了半個多世紀的時光，晶片行業也一直在遵循著摩爾定律的預言在發展。現在工藝已經逼近“極限”，工藝製程不可能無限縮小，近幾年摩爾定律也已經放緩。但摩爾定律的誕生是半導體技術史上的一個里程碑，其在半導體史上永遠都是傳奇而濃墨重彩的一筆！

晶片的分類

晶片是很多產品的大腦。以我們常用的手機為例，一部智慧手機不單隻有CPU一塊晶片，手機螢幕顯示各種顏色需要螢幕驅動晶片，手機發出聲音需要音訊處理晶片，手機儲存照片需要儲存晶片，手機指紋識別需要指紋識別晶片，手機有電池需要電源管理晶片……電子產品越來越先進，但每多一個功能，都需要相應的晶片來完成，那麼面對如此多的晶片種類，該如何進行系統的分類？

按照不同的處理訊號分類，晶片分為模擬晶片、數字晶片。

模擬晶片用於生產、放大和處理各種模擬訊號。數字晶片用於生產、放大和處理各種數字訊號。什麼叫模擬訊號和數字訊號？模擬訊號：簡單地說是連續訊號，即連續發出的；數字訊號：是不連續的，離散訊號。其分類如下：

晶片的分類（按不同的處理訊號）

通用處理器：通用處理器是由海量邏輯電路組成的，它包含了控制、儲存、運算、輸入輸出等部分，形成了一個完整的資料和資訊處理系統。包括CPU、GPU、DSP、APU等。

儲存器：儲存器是用於儲存資料和資訊的晶片。包含SRAM、DRAM、ROM、Flash等。儲存器也可以設計在CPU、MCU、SoC之中，也被稱為嵌入式儲存器。

單片系統（SoC）：單片系統就是把一個電子系統全部整合到一顆晶片中。是面向具體應用領域而設計的專用系統級晶片。例如汽車電子、醫療裝置等。

微控制器（MCU）：微控制器是簡化版的CPU，一般用在較簡單的、小型的電子產品或系統中，實現簡單的控制和資料處理任務。

專用積體電路（ASIC）：在積體電路界ASIC被認為是一種為專門目的而設計的積體電路，是指應特定使用者要求和特定電子系統的需要而設計、製造的積體電路。ASIC的特點是面向特定使用者的需求，ASIC在批次生產時與通用積體電路相比具有體積更小、功耗更低、可靠性提高、效能提高、保密性增強、成本降低等優點。

可程式設計邏輯器件（PLD）：PLD與一般數字晶片不同的是：PLD內部的數位電路可以在出廠後才規劃決定，有些型別的PLD也允許在規劃決定後再次進行變更、改變，而一般數字晶片在出廠前就已經決定其內部電路，無法在出廠後再次改變。PLD的兩種主要型別是FPGA和CPLD。

電源晶片相當於人類的心臟，可以給身體其他器官提供營養物質。電源晶片可以給ASIC、DSP、CPU、FPGA及其他數字或模擬負載供電。

訊號鏈是對從訊號採集（感測器）、訊號處理（放大、縮小、濾波）、模數轉換（A/D轉換器）、到程式處理（微處理器）這一個訊號處理過程的總稱。訊號鏈晶片由一個個模組晶片組成一整條“鏈條”。

按照常見的使用功能分類，晶片可以分為：處理器晶片、儲存晶片、感測器、電源晶片、通訊晶片、介面晶片。

晶片的分類（按使用功能）

感測器就相當於人類的五官，可以感知/測量生活中的聲音、影象、溫度、溼度、壓力和光訊號等。CIS是將光學影象轉換成電子訊號的電子裝置，相當於人的視網膜，其在手機、相機乃至衛星的拍攝成像中必不可少。MEMS是按功能要求在晶片上把微電路和微機械集成於一體的系統，例如手機中的磁感測器、指紋感測器、環境感測器等。Touch對環境變化具有靈敏的自動識別和跟蹤功能，我們日常使用的手機和平板電腦就內含觸控晶片。

通訊晶片相當於人類的神經，四通八達，傳遞資訊和資料。Bluetooth是一種近距離無線連線技術，支援聲音、影象的傳輸。WIFI也是一種近距離無線通訊。NB-loT是一種遠距離無線通訊，屬於廣域網，應用在我們使用的共享單車中。

介面晶片相當於人的“四肢”，同樣可以用於傳遞資訊和資料。USB是一個外部匯流排標準，是應用在PC和手機領域的一種介面技術，例如電腦的USB插口、手機的USB充電線。HDMI是一種全數字化影片和聲音傳送介面，可以傳送未壓縮的音訊及影片訊號。例如膝上型電腦、電視、機頂盒就有HDMI介面。

按照工藝製程分類，晶片可以分為：5nm晶片、7nm晶片、14nm晶片、28nm晶片……

晶片的奈米數是製造晶片的製程，其實就是指CMOS器件的柵長，或指電晶體電路的尺寸。奈米在處理器中指的是電晶體之間的距離就是間距，距離越小就能在同等大小的面積上整合更多的電晶體，晶片就能做得越複雜，越先進效能越好，功耗越低。

以手機為例，在手機晶片的電晶體結構中，電流從Source（源極）流入Drain（漏極），Gate（柵極）相當於閘門，主要負責控制兩端源極和漏極的通斷。而柵極的最小寬度（柵長）就是工藝製程。手機晶片的工藝製程越小，柵極寬度就越小，意味著閘門通道越小，單位面積所容納的電晶體就會越多，晶片就越先進，效能就越強。

放眼全球，目前比較先進的製程就是臺積電和三星的3nm，但是良率並不高（三星3nm良率僅有10-20%）。國內較為先進的是中芯國際的14nm工藝製程晶片，目前已實現量產。

按照導電型別的不同，晶片可以分為：雙極型積體電路、單極型積體電路。