芯片基础知识

我们通常所说的芯片就是指集成电路，在日常生活中芯片已经得到广泛运用，我们的生活也离不开芯片。大众汽车因为芯片短缺濒临停产，芯片已经成为我们不可或缺的物件。手机需要芯片、汽车需要芯片、电脑需要芯片，只要是高科技产品都需要芯片，那你知道芯片到底是什么吗？为何如此重要？

芯片的本质是半导体加集成电路，它是一种把电路小型化并制造在一块半导体晶圆上，一种具有特殊功能的微型电路。为什么这个东西叫芯片呢？片是因为形状，而芯的意思是电子设备的心脏、大脑、中枢，所以管它叫芯片。正是这个名字，很多人对芯片有误解，认为只有像电脑里CPU那种才是芯片。电脑中的CPU属于逻辑芯片，可以逻辑控制，有运算能力。但是芯片还有很多类型，比如5G、Wi-Fi、蓝牙这种通信芯片，还有像内存、优盘里的存储芯片，还包括手机里陀螺仪那种传感芯片等等。

为什么芯片一定要是半导体？在半导体之前，人类只能用机械控制电，但是有了半导体之后，人类才可以直接用电来控制电，控制能力得到质的飞跃。20世纪初，量子力学的发展让人类发现了半导体这种关键材料。只靠施加电压变化，就能实现它在半导体和绝缘体之间的切换，这才把人类从电气时代带进了电子时代。简单地说，芯片的本质就是半导体集成电路。这里，我们可以分两部分来理解：首先，制作芯片的材料必须是半导体，这是最基本的要求；其次，芯片必须是集成电路，单个的元器件不能称之为芯片。在半导体之前，人类只能用机械控制电；但有了半导体之后，人类就可以直接用电来控制电，控制能力强了很多。我们看到芯片周围有很多的引线，这些引线分成两类：一类是负责供电，包括地线和电源线；另一类负责输入、输出信号。芯片是由一个个的晶体管组成的，单个晶体管的模型如下图所示：

通过半导体，人类终于可以实现用电这个高级物理形式来控制电这个高级能量形式，处理信息的能力大大提升了。所以，芯片必须是半导体材料，这个本质也是芯片开启信息时代的根本原因。

芯片还有一个本质就是集成电路。以前人类组装单独的器件是焊接起来，现在的技术就像是微雕，在一个非常小的东西上，直接刻画出这些线路。这个非常小的东西就是半导体衬底，刻刀就是光刻机，只不过这把刀不是金属，而是激光，非常非常细。

现在已经能刻出纳米尺寸，可以在一块一厘米见方的芯片里，集成100多亿个晶体管，它的复杂程度真的远超你的想象。至于为什么芯片可以运算，实现人工智能，这个就复杂了，简单说就是0和1。就比如说，走迷宫挺复杂、挺智能吧。但是你把事情不断还原下去，其实每个岔口就是做选择题，要么走左边，要么走右边。左边是0，右边是1，左右分别对应开和关。迷宫的走法对应着软件的算法，靠着一堆开关连接起来就能完成运算。不只是走迷宫，还比如美颜和下围棋的AlphaGo这样的复杂系统，最底层的还原也是0和1来完成的。