芯片是什么
芯片是一种集成电路，可以用来接收和处理信息。芯片是电子计算机的核心部件，是电子计算机的基础。
从功能上划分,芯片可以分为以下几大类:
- CPU(中央处理器)。执行指令,处理计算任务的核心芯片,如Intel的CPU。CPU集成了数亿个晶体管,要实现超高性能和复杂功能,制造难度非常高。
- GPU(图形处理器)。处理复杂图像和视频任务的芯片,如Nvidia的GPU。
- DSP(数字信号处理器)。用于高速数字信号处理的专用芯片。
- MCU(微控制器)。集成处理器核、存储器、外设接口的单芯片系统。
- FPGA(现场可编程逻辑门阵列)。可编程逻辑芯片,用户可以重新配置芯片的连接和功能。
- ASIC(专用集成电路)。为特定应用设计的定制化芯片。ASIC是为特定应用定制设计的芯片,需要设计复杂的自定义电路,制造难度最大。
- 存储芯片。存储数据的芯片,如DRAM、NAND Flash等。
- 传感器芯片。检测物理量并转换为电信号的芯片,如光电传感器。
- 无线通信芯片。用于无线通信的RF芯片,如WiFi芯片、基站调制解调器等。
- 电源管理芯片。控制、管理、转换电源的芯片。
芯片的制作过程
制作过程为：
- 芯片设计。
- 晶圆制作。晶圆是芯片的基底，一般是硅。提纯硅，制作单晶硅，切片，抛光。
- 光刻显影，蚀刻。做很小的需要用到光刻机：DUV，EUV。在晶圆上涂上光刻胶，然后用光刻机照射（腐蚀掉光刻胶，为了降低色差，从光掩模出来的光，还会经过数个反射镜才会到达晶圆片上），然后用蚀刻机蚀刻（用 HF 腐蚀没有被光刻胶保护的晶圆）。
- 晶圆里掺加杂质。增加晶圆的导电性。
- 晶圆的测试和切割。
- 晶圆的封装测试和包装。
对应的公司：
- 芯片设计。高通，联发科，华为海思，英伟达，AMD，Intel。
- 晶圆制作。台积电，三星，中芯国际。
- 光刻机。ASML。它是荷兰企业，也是唯一能生产 EUV 的公司。EUV 估计是世界上最复杂的仪器。售价 1.2亿美元。
- 生成极紫光。公司：
- 镜片。蔡司。1.2米的镜面的表面粗糙度仅仅只有20pm（均方根 ），面精度（峰值与谷值的差值 ）也仅仅只有0.12nm（1nm 差不多是1根头发丝的万分之一，病毒的大小是 10-300nm，硅原子的直径是0.25nm）。
- 蚀刻。
- 测试和封装。
材料
硅材料具有独特的化学物理特性,非常适合用于微电子芯片的制造。主要有以下几个原因:
- 硅是半导体材料,具有良好的导电性,可以通过掺杂制造P型和N型半导体。
- 硅的原子结构使其具有半导体的带隙,便于制造PN结构的二极管和晶体管。
- 硅在室温下为固体,便于制作硬质晶圆,可进行微细加工。
- 硅的氧化物(二氧化硅)容易在其表面形成,可用作绝缘体和mos器件的栅极氧化层。
- 高纯度的单晶硅可以生产,大规模应用于芯片制造。
- 硅的加工和处理技术已经非常成熟,可以实现精确的掺杂控制和稳定的大批量生产。
- 硅晶体的尺寸可以做得非常大,利于大规模生产大直径的晶圆。
- 硅的原料来源丰富(如沙子),价格低廉,有利于芯片的大规模商业化生产。
- 硅有成熟可靠的氧化隔离技术,可以制造具有很好隔离性的芯片。
芯片的评估
芯片制造工艺的技术节点通常用纳米(nm)作为计量单位。芯片的nm数值越小,表示制造工艺越先进,集成度越高。
芯片小对性能和效率都会得到提升：
- 集成度更高。在同样大小的芯片上可以集成更多的晶体管和组件,性能更强。
- 制造成本更低。同样设计的芯片,每个晶圆可以制造更多芯片,单位成本更低。
- 功耗更低。相同计算能力下,功耗可以降低,电池续航更长。
- 运算速度更快。晶体管距离更近,延迟更低,算力提升更大。
- 尺寸更小。在更小空间内提供更强大的能力,可应用在更小的产品。
目前芯片制造工艺的nm节点主要有:
- 350nm-250nm:上世纪90年代的工艺技术
- 180nm-130nm:上世纪末期的工艺技术
- 90nm-65nm:21世纪初期的工艺技术
- 45nm-32nm:2010年前后的主流工艺
- 28nm-16nm:2015年前后的先进制程
- 10nm及以下:当前的最先进工艺技术
具体来说,一些当前主要芯片的制造工艺节点:
- 英特尔CPU使用10nm及7nm工艺
- 高通骁龙使用4nm工艺
- 联发科Dimensity使用6nm工艺
- 三星Exynos使用8nm工艺
- 苹果A系列芯片使用5nm工艺
- 台积电主流制程为5nm和7nm
- 中芯国际14nm工艺正在量产
主流芯片型号
当前主流的芯片型号包括:
- CPU处理器:
- 英特尔Core系列,如Core i3/i5/i7/i9
- AMD Ryzen系列,如Ryzen 3/5/7/9
- 移动通信平台:
- 高通Snapdragon,如骁龙8系列
- 联发科Dimensity,如9000系列
- 三星Exynos,如2100系列
- 苹果自研芯片:
- A系列,如A13、A14。用在手机上。
- M系列,如M1、M2。用在电脑上。
- GPU图形处理器:
- Nvidia GeForce RTX,如RTX 3060/3070等
- AMD Radeon RX,如RX 6800/6900等
- AI芯片:
- 英伟达Tesla系列
- 谷歌Tensor Processing Unit (TPU)
- 英特尔Habana Labs
- 可编程芯片:
- Xilinx FPGA系列
- Intel FPGA系列
- 嵌入式MCU:
- Microchip PIC系列
- NXP ARM Cortex-M系列
以上包含了当前主要的各类芯片型号,代表了不同芯片类别的最新发展水平。