軟件和芯片密不可分,但軟件是抽象的,芯片是物理的,二者如何建立關(guān)系?這讓我們很快想到計(jì)算機(jī)的底層——二進(jìn)制的0和1。可是,0和1仍然是抽象的概念,芯片或者計(jì)算機(jī)內(nèi)部也不存在0和1,但人們很聰明地想到一種對(duì)應(yīng)方法,就是用電壓水平來(lái)表示,比如,高電平為1,低電平為0。于是,將抽象的軟件映射為01字符串(C之類的高級(jí)語(yǔ)言編譯后就是01機(jī)器碼),物理的芯片又可以體現(xiàn)不同的電壓水平。這樣,我們就將軟件與芯片建立起了聯(lián)系,或者說(shuō)將人類世界和計(jì)算機(jī)世界建立起了聯(lián)系。
上面的聯(lián)系還是稍顯跳躍和粗糙,接下來(lái),還要解決兩個(gè)連續(xù)的問(wèn)題:- 問(wèn)題一:復(fù)雜的軟件如何與簡(jiǎn)單的01映射?
- 問(wèn)題二:映射為01字符串后如何在芯片中體現(xiàn)為電平組合(電路)?
我們先看問(wèn)題一,復(fù)雜的軟件如何與簡(jiǎn)單的01映射?但這個(gè)問(wèn)題可以指向軟件在芯片中的兩個(gè)基本行為:如何存儲(chǔ)和如何運(yùn)算。存儲(chǔ)可以是數(shù)字、文字,也可能是聲音、圖片和視頻。數(shù)字比較簡(jiǎn)單,按照二進(jìn)制和十進(jìn)制換算即可。文字呢,比如,A、B、C分別用01000001、01000010、01000011表示(ASCII碼),同樣的道理,其他字母或者漢字也都可以用01排列組合來(lái)表示。聲音、圖片和視頻會(huì)略微復(fù)雜些,用到的辦法就是“離散化”。比如,對(duì)聲音可采集離散的波形,對(duì)圖片可采集離散的像素點(diǎn),而視頻就是聲音和連續(xù)圖片的結(jié)合。所以,只要有足夠多的01字符串去排列組合,我們不但能表示軟件,還能表示軟件背后的世間萬(wàn)物。
說(shuō)到運(yùn)算,我們可以分為算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。算術(shù)運(yùn)算是指對(duì)數(shù)值進(jìn)行計(jì)算的運(yùn)算,包括加、減、乘、除等基本運(yùn)算。邏輯運(yùn)算則是基于布爾邏輯的運(yùn)算,用于處理二進(jìn)制數(shù)據(jù)(0和1)的位運(yùn)算和邏輯關(guān)系判斷,如與、或、非、異或等。
既然我們進(jìn)入到了0和1的世界,也就看看0和1的運(yùn)算。先看最簡(jiǎn)單的二進(jìn)制算術(shù)運(yùn)算的加法,即學(xué)過(guò)布爾邏輯的我們,稍加思考,大約會(huì)發(fā)現(xiàn)這里的算術(shù)運(yùn)算可以用邏輯運(yùn)算來(lái)替代,也就是異或(相同為0,不同為1)邏輯得出加法位,與邏輯得出進(jìn)位位(實(shí)際上,這是一個(gè)半加器)。再往后,加法作為運(yùn)算的基礎(chǔ),可以在擴(kuò)展后處理更復(fù)雜的運(yùn)算。至此,復(fù)雜的軟件通過(guò)布爾邏輯與01建立了聯(lián)系。走到這里,我們已經(jīng)走完了抽象的部分,下一步就要邁進(jìn)物理世界,也就是問(wèn)題二,映射為01字符串后如何在芯片中體現(xiàn)為電平組合(電路)?實(shí)際上,結(jié)合上一小節(jié)的敘述,我們知道我們很難直接處理01,而需要通過(guò)布爾邏輯將無(wú)意義的01有意義化,問(wèn)題二就轉(zhuǎn)變成了布爾邏輯如何用電路實(shí)現(xiàn)。
初中物理學(xué)過(guò)基礎(chǔ)電路圖,我們可以用如下導(dǎo)線、開關(guān)、燈泡組成的簡(jiǎn)單的電路(這種用來(lái)表示布爾邏輯的電路就是邏輯門)來(lái)表示布爾邏輯。理論上,我們用無(wú)數(shù)這些電路就可以搭建一個(gè)芯片及一臺(tái)計(jì)算機(jī)。不過(guò),現(xiàn)實(shí)顯然并非如此簡(jiǎn)單。接下來(lái),我們就需要進(jìn)入半導(dǎo)體時(shí)代了。我們都見過(guò)電路板,上面有印刷銅線,可以對(duì)應(yīng)前述示意邏輯門的電路導(dǎo)線。還遺留一個(gè)難點(diǎn)是開關(guān),我們總不能用這個(gè)閘刀開關(guān)吧,太復(fù)古了。其實(shí)吧,也不能說(shuō)不能,世界上第一臺(tái)可自由編程使用二進(jìn)制數(shù)的Z1計(jì)算機(jī)就是用不比閘刀開關(guān)高端多少的繼電器來(lái)搭建的。繼電器這種笨重且單一的東西實(shí)非長(zhǎng)久之計(jì),人類很聰明,也很幸運(yùn),發(fā)現(xiàn)了半導(dǎo)體,半導(dǎo)體具備整流效應(yīng)(依賴于PN結(jié)),也就是單向?qū)щ娦裕@讓半導(dǎo)體制作“開關(guān)”替代繼電器成為可能。再加上半導(dǎo)體還有熱敏、光生伏特與光電導(dǎo)這些效應(yīng),而且還具備穩(wěn)定可靠、易于加工集成及適合大規(guī)模生產(chǎn)等特點(diǎn),這都讓半導(dǎo)體成為“開關(guān)”的不二選擇,也最終成為計(jì)算機(jī)的基石。在這些半導(dǎo)體“開關(guān)”或者“開關(guān)”組合里,最出名的莫過(guò)于晶體管這個(gè)芯片的基礎(chǔ)元件,比如,美光公司的2T閃存芯片NAND,單芯片就使用了5.3萬(wàn)億個(gè)晶體管。以上算是講了芯片的基本原理,到此,終于快摸到芯片的邊了,但我們還沒講芯片的基本概念。我講概念比較喜歡講狹義的,也就是業(yè)內(nèi)談到它,腦子里共同浮現(xiàn)出來(lái)的那些東西,這才是概念更重要的意義。芯片這個(gè)名稱的來(lái)歷與它的功能和構(gòu)造有關(guān)。芯片,實(shí)際上是將電路中的元件,如晶體管、二極管、電阻、電容和電感等,以及它們的連線,按照一定規(guī)則在非常小的半導(dǎo)體硅片上實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。這樣,原本需要大量分離電子元件才能實(shí)現(xiàn)的功能,被高度集成在了一個(gè)微小的”片“上,形成了一個(gè)功能完整的電子系統(tǒng)。由于它的體積小、重量輕,但功能強(qiáng)大,因此被稱為“芯片”。通過(guò)以上的描述,我們比較容易引出芯片更學(xué)術(shù)的概念——集成電路,但更廣義的芯片還包括傳感器、分立器件、光電器件產(chǎn)品等。車規(guī)級(jí)芯片也是個(gè)比較熱的概念,何為車規(guī)?
4.1 AEC-Q100
顧名思義,就是滿足汽車的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。又有哪些規(guī)范呢?
通常,我們可以用16949、26262、21434與AEC-Q100這四大標(biāo)準(zhǔn)作為車規(guī)芯片的門檻。
前三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)屬于行業(yè)性或系統(tǒng)性的汽車行業(yè)規(guī)范,分別面向質(zhì)量體系、功能安全、信息安全,并不專門面向芯片,而AEC-Q100 算是芯片專屬。
AEC-Q100的全稱是“基于汽車應(yīng)用中集成電路的失效機(jī)理的應(yīng)力測(cè)試認(rèn)證”,本質(zhì)是測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),主要從硬件層面確認(rèn)集成電路在不同汽車環(huán)境中是否具有足夠的可靠性。比如,這些測(cè)試包括溫度循環(huán)、濕度測(cè)試、振動(dòng)測(cè)試、電氣應(yīng)力測(cè)試等。
需要注意的是,AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)集成電路(如MCU)的,但這個(gè)家族還包括一系列其他標(biāo)準(zhǔn),分別是:
AEC-Q101: 分立半導(dǎo)體器件(如三極管、二極管)
AEC-Q102: 分立光電半導(dǎo)體器件(如LED)
AEC-Q103: 傳感器(如加速度或溫度傳感器)
AEC-Q104: 多芯片組件(其他標(biāo)準(zhǔn)未涵蓋的多芯片組件)
AEC-Q200: 無(wú)源器件(如電容、電阻、電感)
4.2 芯片級(jí)別
說(shuō)完車規(guī)級(jí),再看看其他“規(guī)”。
延續(xù)車規(guī)這個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景分類邏輯,我們可以將汽車芯片分為以下5個(gè)級(jí)別。
當(dāng)然,以上各個(gè)級(jí)別的芯片之間并沒有嚴(yán)格的界線。比如,某些高端的消費(fèi)級(jí)芯片可能采用了與汽車級(jí)的制程技術(shù),或者汽車上某些芯片仍然是消費(fèi)級(jí)的。
萬(wàn)億(12個(gè)0)、納米(十萬(wàn)分之一頭發(fā)絲),這都是用來(lái)描述芯片的單位,簡(jiǎn)直是“喪心病狂”的尺度。在如此尺度下,將芯片制造出來(lái)也是難以想象的。所以,我們把芯片制造比作是在拇指上建造一座超級(jí)城市,并不為過(guò)。
5.1 晶圓制造
首先,我們需要一片非常純凈的單晶硅作為“地基”,就像建造城市需要堅(jiān)實(shí)的土地一樣。這片單晶硅的純度要求極高,甚至要達(dá)到99.999999999%(即11個(gè)9)以上。
也就是說(shuō),這意味著每一萬(wàn)億個(gè)硅原子中,只允許有一個(gè)雜質(zhì)原子。為了達(dá)到這樣的純度,原材料需要經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的物理和化學(xué)提純過(guò)程。
提純完成后,將純凈的硅材料放入高溫爐中,通過(guò)特殊的方法(如化學(xué)氣相沉積)將其轉(zhuǎn)化成單晶硅棒。
然后,使用精密的切割設(shè)備將這些單晶硅棒切割成薄薄的圓片,也就是晶圓。這些晶圓的厚度通常只有幾百微米,相當(dāng)于頭發(fā)絲的直徑。
5.2 晶圓加工
接下來(lái),我們需要在晶圓上建造城市的“道路和建筑”,也就是電路和電子元器件。這個(gè)過(guò)程包括光刻、刻蝕、離子注入等步驟,每一步都需要精確控制各種參數(shù)和條件。
例如,在光刻步驟中,我們需要使用特殊的光刻膠和掩膜版,通過(guò)紫外線曝光將電路圖案“印”到晶圓上。這個(gè)過(guò)程中,光刻膠的厚度、曝光時(shí)間等參數(shù)都需要精確控制,以確保圖案的清晰度和精度。
5.3 封裝測(cè)試
最后,當(dāng)城市的“道路和建筑”都建造完成后,我們需要進(jìn)行“裝修和驗(yàn)收”,也就是封裝和測(cè)試。
封裝是將芯片放入保護(hù)殼中,并連接引腳以便與外部電路連接,以保護(hù)內(nèi)部的電路不受外界環(huán)境的影響。
同時(shí),我們還需要對(duì)芯片進(jìn)行功能和性能測(cè)試,確保其符合規(guī)格要求。
這是一篇芯片小白科普文,主要講了以下內(nèi)容:
先從最基礎(chǔ)的0和1講起,揭示了軟件與芯片之間的緊密聯(lián)系。在數(shù)字電子中,高電平和低電平分別代表1和0,這種簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系為軟件與芯片的交互提供了基礎(chǔ)。
接著,從存儲(chǔ)和基于布爾邏輯的運(yùn)算解釋了軟件與芯片的交互,并引出邏輯門和最適合邏輯門開關(guān)的晶體管。
以上算是芯片的基本原理,進(jìn)一步地,我們明確了芯片的來(lái)歷和學(xué)術(shù)性概念——集成電路。
最后,從晶圓制造、晶圓加工、封裝測(cè)試這幾個(gè)角度概要介紹了芯片的制造過(guò)程。