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(lèi)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(lèi)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(kāi)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(mén)）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(jiàn)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(mén)的電路導(dǎo)線。還遺留一個(gè)難點(diǎn)是開(kāi)關(guān)，我們總不能用這個(gè)閘刀開(kāi)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(kāi)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(lèi)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(lài)于PN結(jié)），也就是單向?qū)щ娦裕@讓半導(dǎo)體制作“開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)”或者“開(kāi)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(méi)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(chēng)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(chēng)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(chē)規(guī)級(jí)芯片也是個(gè)比較熱的概念，何為車(chē)規(guī)？
4.1 AEC-Q100
顧名思義，就是滿足汽車(chē)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(chē)規(guī)芯片的門(mén)檻。
前三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)屬于行業(yè)性或系統(tǒng)性的汽車(chē)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(zhuān)門(mén)面向芯片，而AEC-Q100 算是芯片專(zhuān)屬。
AEC-Q100的全稱(chēng)是“基于汽車(chē)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(chē)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(chē)規(guī)級(jí)，再看看其他“規(guī)”。
延續(xù)車(chē)規(guī)這個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景分類(lèi)邏輯，我們可以將汽車(chē)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(méi)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(chē)級(jí)的制程技術(shù)，或者汽車(chē)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(mén)和最適合邏輯門(mén)開(kāi)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。
上海華湘
2024-04-02 15:26
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