果提到芯片，很多人第一反應可能就只有電腦里的 CPU。那么芯片到底是什么？在網絡中進行搜索，芯片指的是一種集成電路，在電子學中是一種將電路（主要包括半導體設備，也包括被動組件等）小型化的方式，并時常制造在半導體晶圓表面上。簡單來說，芯片就是半導體上單種或多種集成電路形成的產品，而集成電路并不像我們中學學到的電線電路，而是一些微型電路。
由集成電路和芯片構成的主板。圖庫版權圖片，不授權轉載
“芯片”的“芯”指的是它的重要性。在現代社會中，很多芯片扮演著“大腦”的作用，作為設備的核心，芯片的使用讓設備變得“智能”。而“芯片”的“片”則代表它的形態，芯片大部分都是片型，這種高度集成的形態便于將其放入各種設備中。
芯片的應用非常廣泛，因此其分類也十分復雜。提及芯片，大部分人可能會單純將芯片和電腦 CPU 劃上等號。然而，芯片所涵蓋的范圍遠不及此，電腦 CPU 只是芯片所發揮的各種功能中的一種。
01
芯片的分類
按照功能分類，芯片可以分為 4 種，分別是：
可以這么說，人們日常生活的方方面面都離不開芯片。
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按照不同應用場景分類，芯片還可以分為消費級、工業級、汽車級和軍工級芯片。除性能外，它們的主要區別在于工作溫度及環境承受能力。
比如，我國嫦娥四號的 CPU 的運算速度只有你手機芯片的幾十分之一，可能你會感到奇怪，為什么如此先進的登月技術卻用這么“慢”的 CPU 呢？這是因為二者的工作環境存在差異。
手機芯片安穩“躺”在主板上，室溫穩定，遠離水、磁，還有散熱片防止它“發燒”，這樣的工作環境，完全可以用“舒適”來形容。我們好吃好喝的照顧，它還偶爾會抽風死機。而嫦娥四號的 CPU 所處的太空環境溫差達到 300℃，而且時時刻刻都暴露在致命的宇宙輻射下。因此，嫦娥四號的 CPU 需要從材料、系統、結構等各個方面進行特殊設計，從而使其能夠與宇宙環境作“對抗”。
因此，對于軍工產品或航天設備來說，保證芯片在不同復雜環境條件下的工作穩定性和可靠性才是最重要的考慮因素。
嫦娥四號，圖片來源：中華人民共和國中央人民政府官網
如今，芯片的制程工藝越來越受到到人們的重視。所謂的“幾納米工藝”，以前通常指的是芯片中晶體管的柵極長度，數字越小就代表著單位面積芯片的晶體管集成度越高，其性能也越強。然而，隨著芯片的晶體管數量越來越多，人類在 CPU 上的工藝進步逐漸放緩，現在的制程和柵極長度已無法匹配。
02
從模擬信號到數字信號
開啟自然界的數字化篇章
自然界的事物都是連續的，如連續的時間，連續的水流，“連續”的長度。最初科學家的發明也是“連續的”，例如，有線電話和無線廣播都是直接傳送和源頭一模一樣的聲音波形，早期的膠片攝影依靠化學材料感光，類似于人眼的頻譜映射，從而產生圖像。這種“連續”信號我們將其稱為“模擬信號”。模擬信號完整捕捉或還原了自然，其看似是一個很完美的技術。然而，現實情況果真如此嗎？
信號在傳輸過程中要經過許多環節的處理和轉送，在這些過程中，模擬信號會受到干擾；同時，如果是有線傳輸，其線路附近的電氣設備也會產生電磁干擾。如果是人類所追求的無線傳輸，開放環境由于存在更多的不可抗力因素，使得模擬信號幾乎無法使用，嚴重影響通訊質量。為此，人們想了許多辦法努力恢復模擬信號，但都無法從根本上解決干擾的問題。
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不過，后來人類發現，如果將連續的模擬信號轉化成離散的數字信號，問題就會迎刃而解。雖然相較模擬信號而言，離散的數字信號天生就存在誤差和分辨率，但由于數字信號在運輸過程中具有天生的優勢，它可以大大緩解信號的干擾與噪聲。因此，困擾人們多年的問題得到了解決。
從發明數字信號這一刻開始，自然界的數字化進程便開始了。想要得到連續的圖像？可以！將圖片拆解為一塊一塊像素，再將每個像素的顏色分為紅綠藍不同亮度的組合，圖像就可以變成無數二進制數字。想要得到連續的聲音？也可以！先將連續信號離散化，然后將每部分用二進制表示，二進制的位數反映了聲音波形的精度，最后再進行編碼即可變成數字。
模擬信號（上）和數字信號（下）
幾乎自然界所有物體都可以被我們在數字世界模擬出來，最終世界“歸于”1 和 0 兩個數字。所以那句“世界是你們的，也是我們的，但終究是程序員的”很有道理。
03
半導體
芯片“揮灑文采”的“白紙”
正如詩人滿腹經綸的文采需要揮灑在白紙上，芯片上的邏輯電路也需要這樣一張“白紙”，去展現它的“實力”。而半導體——主要是由高純度硅制作的硅片，就可以作為“白紙”，讓電路設計師在上面肆意揮灑智慧，制作出各種功能的高性能芯片。因此，在芯片中，半導體和集成電路同樣重要。但你有沒有想過，為什么人們會選擇半導體作為“白紙”呢？為什么人們在眾多半導體中又選擇了“硅”這種元素呢？
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半導體有很多神奇的性質，它區別于容易導電的導體和幾乎無法導電的絕緣體。從字面意思而言，可以將半導體理解為一種導電性介于導體和絕緣體之間的物質。然而，半導體遠沒有這么簡單，“半”更體現在“變”，它的導電性可以隨條件變化而發生劇烈的轉化。
首先是摻雜。純凈的半導體接近絕緣體，幾乎無法導電。但如果在半導體中摻雜，它的導電性會急劇增加，如果摻雜過多，甚至會像導體那樣非常容易導電。此外，摻雜不同的原子，可以讓半導體呈現或正或負的電性，分別稱為 P 型半導體和 N 型半導體。根據這兩種半導體，科學家們制作出了二極管、三極管等設備，這些設備可以用來制作能夠加減乘除的運算器、實現與或非的邏輯電路、完成復雜的運算。
其次是電壓。如果將P型和N型半導體碰在一起，它們內部的電子在電場或擴散等的作用下，會在兩種半導體間形成一個“耗盡層”。當施加不同方向的電壓時，增厚或減薄耗盡層，同樣可以實現電路的通或斷。而這種電壓控制下的通斷轉化，是迅速的、可逆的、可反復進行的。
如果將電路的通看作“1”，斷看作“0”，就會發現芯片的通斷居然和數字信號如此融洽。如果自然界可以由0和1組成，那么半導體就是構建世界的畫筆。依據半導體神奇的特性，以它為原材制備的芯片可以實現你能想象到的所有功能。無論是在游戲中模擬出無法分辨的真實世界，還是打造極像人類思維的人工智能，芯片最終可以將人類送入數字的時代。
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04
半導體中的“佼佼者”——硅
硅并不是天生的寵兒。最初，人類選擇鍺作為芯片材料，并且此后整個行業也一直試圖找出可以替代硅的其他半導體，砷化鎵、氮化鎵等半導體也隨之應運而生，但它們都無法取代硅在芯片行業中統治般的地位。這是由于硅有如下幾個巨大的優勢：
1. 首先，硅在自然界中極其豐富。硅在地殼中的含量達到 28.6%，廣泛存在于巖石、砂礫、塵土之中，僅次于氧，甚至硅在宇宙中的儲量排在第八位。
2. 摻雜性好。半導體的優勢之一就是摻雜性，而硅正是最適合摻雜的材料之一。
3. 此外，硅的物理和化學性質相對更穩定，做出的芯片不容易損壞。
4. 硅還具有極好的電子遷移率。遷移率指的是載流子（電子和空穴）在單位電場作用下的平均漂移速度，即載流子在電場作用下運動速度的快慢程度。遷移率是材料的電導率的決定性因素之一，遷移率越大，電阻率越小，通過相同電流時，功耗越小，產生的熱量少，因此電流承載能力就越大。除功耗小以外，高遷移率還會影響到器件的工作頻率。例如，晶體管的截止頻率和載流子遷移率成正比，因此，提高載流子遷移率，就能夠提升晶體管的開關速度，從而提升芯片的性能。
5. 此外，硅有著致密氧化物——氧化硅。氧化硅不溶于水也不溶于大部分酸，這和印刷電路板技術“一拍即合”，結合的產物就是現在的集成電路平面工藝。
6. 最后，硅容易提純。經過數十年的研究，現在我們已經能夠生產純度高達99.999999999%的硅，這幾乎是自然界中最純凈的物質。提純對于芯片制作而言非常重要，隨著一枚芯片中所包含的晶體管數量越來越多，芯片結構長度達到納米級別，在這種情況下，制作如此精密的結構所需要的“白紙”就需要盡可能平整，潔白，即硅片需要具有高純凈度、高平整度、高清潔度和低雜質污染度的屬性，才能完美保持芯片設計的功能。
硅片，圖庫版權圖片，不授權轉載
看到這里，或許可能有人想知道，既然硅片的作用如此重要，想必它的制作過程一定很困難。其實，制作硅片的過程并不難，但如何才能制作出這么純凈的硅片呢？請聽下回分解。
出品｜科普中國
作者｜王智豪（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所）
監制｜中國科普博覽
選送單位：中國科學院計算機信息網絡中心
本文封面圖片及文內圖片來自版權圖庫
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特爾和AMD處理器發展到今天，主板平臺的區別已經很大了，不過有點讓粉絲們尷尬的是，它們最主流的主板芯片和最牛x的發燒級主板平臺芯片卻一直撞名，相信很多小伙伴都有過看到讓人興奮的新聞，點進去細看才發現“雨女無瓜”的時候吧？能不能快速區分它們呢？咱們今天就來聊聊吧。
先說主流市場，兩家的選擇都是B字頭，而且為了表明檔次，給低端和高端留下空間，不約而同的選擇了50/60這樣的中間檔數字。其實要分辨它們也很簡單，AMD總是先一步推出芯片組，所以占了最好的50數字，比如B350、B450，英特爾為了不重名，只能用60了，比如現在流行的B360。
至于高端的英特爾酷睿X和AMD線程撕裂者，它們的芯片組都叫Xx99，處理器、內存等接口的數量、樣式還都很接近，這很尷尬，大家只能記住AMD平臺數字大就好了，即英特爾X299和AMD X399。好在未來AMD會放棄這個命名方式，下一代線程撕裂者的主板芯片叫TRX40一類的名字，真是讓人松了一口氣。
光看外形和配置，兩家的發燒級主板真的很難分辨
那么低端芯片組呢，雖然字母不一樣，但數字太接近了？大家記住相對有規律的AMD芯片組就好了，它的A芯片組用了AMD的第一個字母，所以它是妥妥的AMD平臺不會搞錯，另外A也是字母表中的第一個字母，當然是入門級了。
高端芯片組也一樣，AMD芯片相對“單純”好記，為什么叫X芯片組呢？想想它的處理器和顯卡加強版都叫什么，對了，就是2600X、5700 XT一類的，可見AMD最喜歡用X表示加強版，芯片組也不例外。
至于英特爾芯片組，它的攤子鋪得太大，比如H字母重復使用了，還有少見的Q一類字母，很難解釋得清。咱們就秉著不是AMD芯片組就是英特爾芯片組的原則，然后直接用數字對比來確定他們的定位高低就好了，比如H310當然比H370定位要低，H370和Q370就差不多了。
OK，花1分鐘理解下，相信小伙伴們以后買主板、看新聞的時候肯定不會再懵圈了。現在芯片組的名字總是被放在主板名最顯眼的位置，了解芯片組，主板的支持和定位也就很明顯了。有興趣的小伙伴們趕緊去實踐一下，看看能不能迅速識別這些主板吧。
中國工程院院士、中星微電子集團董事長鄧中翰曾表示，芯片是人工智能技術發展的源頭，可謂“得芯片者得天下”。能否開發出具有超高運算能力、符合市場需求的芯片，已經成為各國在人工智能領域爭霸的關鍵。超精細加工技術是芯片研發制造的重點、難點。
本科階段和“芯片”最相關的專業就是微電子科學與工程專業。
微電子科學與工程專業的研究主要有三大方向：工藝、器件和設計，特色方向略有不同。微電子工藝側重芯片生產過程，包括氧化、淀積、金屬化、光刻、離子注入、刻蝕、化學機械平坦化等內容；微電子器件側重芯片中電阻、電容、晶體管和電感等，每一種器件都包括很多類型，比如晶體管就有零閾值、低閾值、高閾值及功率型晶體管等；微電子設計非常廣泛，包含了射頻、模擬、數字等方向，而模擬又包含電源、ADC、PLL 等。
與同一個一級學科下的電子科學與技術專業相比，微電子科學與工程專業的學習內容更加精細化，其研究的領域主要有半導體器件物理，功能電子材料，固體電子器件及大規模集成電路的設計、制造，微機械電子系統以及計算機輔助設計制造技術等。電子科學與技術專業側重集成電路的應用，其領域更廣，涉及物理電子與光電子信號傳送等其他領域。
微電子科學與工程的學習目標和內容比較明確，就是研究新型電子器件及大規模集成電路的設計、制造，并學會用計算機輔助集成電路分析。
以電子科技大學的課程為例，主干課程包括：電路分析基礎、信號與系統、模擬電路基礎、數字邏輯設計及應用、半導體物理、量子力學、統計物理、固體物理、電磁場與波、微波技術、微電子器件、集成電路原理、微電子技術學科前沿、微處理器系統結構與嵌入式系統設計、微電子工藝、先進半導體材料與器件、微電子電路設計、電子設計自動化技術、電力電子器件基礎、半導體光電器件、集成電子學等。考生可登陸高校網站查看院系方向及課程設置。
微電子科學與工程是教育部《本科專業目錄》工學電子信息類中的六個基礎專業之一，可授工學或理學學士學位。該專業需要學生有堅實的數理基礎，還要做很多實驗，具備一定的動手能力和操作技能。
目前，我國電子信息產業被國家列為最具有發展潛力的高科技產業，而微電子則是電子信息產業的核心，國家對本專業人才需求量較大，畢業生大有可為。《電子工程專輯》“中國電子工程師薪酬調查”顯示：集成電路行業薪資高居電子行業榜首，領先通信系統和設備、航空、航海和軍工電子等行業。
微電子具有門檻高和重經驗的特點，這也決定了有志從事微電子行業的學生，要做好深耕的準備。與互聯網行業不同的是，這個行業更重視經驗的積累，因此不用擔心“吃青春飯”的問題。
一般而言，本科畢業生多半選擇報考微電子學、固體電子學、通信、計算機科學等學科的研究生。直接就業的畢業生則多進入華為、中興或德州儀器等企業擔任技術支持工程師（TSE）、現場應用工程師（FAE）或版圖工程師，或者到集成電路制造廠家、集成電路設計中心以及通信和計算機等信息科學技術領域從事技術支持、應用、維護或銷售工作。
由于專業性比較強，碩士研究生及以上學歷的畢業生更容易進入國際一流企業，從事芯片設計的工作，在此類大企業可以得到全面而細致的培訓，學習系統的設計流程，同時薪酬不菲。畢業生或者在芯片工廠從事生產相關工作，或者從事電子設計自動化的電路軟件開發工作，或者到研究所進行研發工作。研究所對芯片的可靠性和性能要求高，需要扎實的芯片設計功底。
微電子科學與工程專業門檻相對比較高，開設的院校也比較少。當然也有部分院校從“厚基礎、寬口徑”的角度考慮，在本科階段只設置電子科學與技術專業，或者按大類招生，在大三大四再分流向微電子科學與工程方向發展。考生可重點考慮擁有國家支持建設（籌備）示范性微電子學院的院校，以及在第四輪學科評估中排名較靠前的院校。
東南大學：國內最早建立電子類專業的學校之一，擁有的電子科學與技術是國家一級重點學科，也是國家“211工程”和“985 工程”的重點建設學科，所在學院是東南大學電子科學領域集教學、科研、科技開發為一體的重點院系。
中北大學：原兵器部直屬院校，擁有完整的電子科學與技術學科體系，其中微電子學與固體電子學是國防科工局重點學科和國防特色學科。
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微信編輯：求學 王艷琴
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