机械灵魂,电子之芯到底是什么?
这两年,芯片成为了非常热门的话题,成为了全民关注的焦点。随着众多新闻报道和自媒体的科普,芯片这个原本看似神秘的东西,也逐渐被人所熟知。
其实,在日常生活中,人们几乎每天都在接触芯片,大部分时间都在和芯片做交互,然而人们却并没能感知到它。例如,我们日常使用的手机、电脑、家电里面都会带有芯片,正是芯片赋予了这些电子产品生命力。所以,想了解我们日常生活的电子产品,我们最先要了解的就是芯片。
那么,芯片到底是什么呢?
想知道芯片,就需要先理解半导体和集成电路这两个概念。
半导体是一类材料的总称,是指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料,常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等,而【硅】是各种半导体材料应用中最具有影响力的一种。
集成电路,是用半导体材料制成的微型电子器件或部件,它需要采用一定的工艺把晶体管、电容器、电阻器、电感器、二极管等元器件及布线互连一起,制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上,然后封装在一个管壳内,成为具有所需电路功能的微型结构。
芯片,则是由不同种类型的集成电路或者单一类型集成电路形成的产品,所以大部分人都会将芯片等同理解为集成电路。

芯片
晶体管,是芯片中最基本的元器件之一,主要用于放大、开关和控制电流,通过放大电流实现信号放大。
电容器,主要功能是储存电容量,常用于滤波、耦合、能量存储等。这里面,滤波是指过滤电路中不必要的噪声和频率,耦合则是指将电路信号传递到另一个电路。
电阻器,是用于控制电流流动,用于限制电流、分压、稳定电路,通过控制电流的大小,防止电流过大损坏电子元件或电路,满足特定的电路要求。
电感器,主要作用是通过产生磁场来储存电能,当电流通过电感器时,会在线圈周围产生一个磁场,使电感器储存电能,同时抵抗电流的突然变化。
二极管,主要用于控制电流的方向,让电流可以在一个方向上流动,从而阻止其在另一个方向流动。如果允许电流通过时,电路则连接,不允许电路通过时,电路则断开。
除了这些基本元器件之外,在一些芯片里还会带有功能性元器件,例如传感器元器件、存储器元器件、时钟元器件、输入输出接口元器件、开关元器件、变压器、陀螺仪等,每种元器件都有其特定的功能和应用场景。
在众多元器件里,晶体管是最核心的元器件。在一枚小小的芯片里,往往集成了数亿、数十亿个晶体管,这些晶体管比一根头发丝还要细小,用以实现芯片的运算功能。单个芯片上集成的晶体管数量越多,则芯片的性能越强,运算能力越高。由于芯片的大小是有限的,所以如何减小晶体管体积,尽可能多地在芯片上增加晶体管数量,提升芯片的性能,便成了芯片技术攻关的重中之重。
如果芯片里的晶体管之间的间距越小,便意味着可以集成的晶体管就越多,芯片的结构就越复杂,对应的芯片就具有越强的性能和越低的功耗。晶体管的间距常用纳米来表示,1纳米等于10亿分之1米,如果一个芯片里晶体管间距为10纳米的话,那么这个芯片就可称为“10纳米工艺”制程的芯片,制程越先进的芯片,芯片性能也越好。

晶体管
在我们日常生活中接触到的电子设备里面,都会存在若干个电路板,而电路板上会有一些小小的黑色方块,这些方块便是芯片了,也正是这些数量众多的芯片,才赋予了电子产品显示出来的功能。
可以说,芯片是所有电子设备的核心,想要了解一个电子设备,就必须要从了解它的芯片开始。像我们日常生活中用手指在手机屏幕上滑动,便能在手机上打开一个又一个的应用,实现我们想要的操作,这背后都是手机里芯片接收到指令后向我们展示的成果。
目前,世界上最先进的芯片制程是3nm的芯片,制程越先进,制作成本也就越高,14nm工艺制程芯片的流片成本约为300万美元,而7nm工艺制程制造芯片的流片成本就要3000万美元了,整整翻了10倍。
现在,知名的芯片制造商,例如台积电和三星,都在积极研发1nm甚至1nm以下制程技术的芯片。根据行业专家的预测,1nm工艺制程的芯片最快可能在2027年试产,在2028年实现量产。
未来,随着科技的发展,芯片可能将不再单纯只有硅晶圆一种材料,可能会是通过其他新材料做成的,甚至在结构上会有新的变化,进而实现更高的集成度和性能,例如二维材料、三维堆叠、量子计算等等。
可以说,芯片为现在的世界实现了无数的可能。在未来的世界里,芯片也会带来更多未知的惊喜。
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