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天天谈论芯片 你可知芯片究竟是什么？

天天谈论芯片 你可知芯片究竟是什么?

作者：刘植荣

我们天天议论芯片，你可知道芯片究竟是什么？

1.芯片的发明改变了人类生活方式

1947年12月23日，美国贝尔实验室3位科学家约翰·巴登、威廉·肖克利和瓦尔特·布拉顿发明了锗晶体三极管，电子世界进入半导体时代。晶体三极管的3位发明人获得1956年诺贝尔物理学奖。

20世纪50年代是半导体的黄金时期，几乎所有的半导体材料和基本工艺都是在这一时期研发出来的。

1954年10月18日，美国德州仪器公司发明了晶体管收音机，这个有4只晶体三极管的收音机小到可以装到口袋里。

1958年9月12日，德州仪器公司电子工程师杰克·基尔比（1923年-2005年）发明了集成电路，并在1959年成功制造出世界上第一块集成电路，即芯片。该集成电路就是在一块锗片上蚀刻出PNP型晶体管（三极管）、电阻和电容，用外部导线把它们连接成电路。这块简陋的集成电路拉开了芯片产业的序幕，也把人类 科技 水平推向一个新的高峰，并彻底改变了人类的生活方式。

芯片制造技术的不断进步让单个晶体管价格大降。1959年，一块芯片上有6个晶体管，折合每个晶体管10美元； 1971年，一块芯片上有2000个晶体管，折合每个晶体管0.3美元；2004年，一块芯片上有上百亿个晶体管，单个晶体管价格跌至十亿分之一美元。芯片性价比的提高，让芯片进入普通百姓家庭成为可能。

芯片可谓20世纪最伟大的发明，其他很多发明也建立在芯片的基础上。今天，我们生活在一个被芯片包围的世界里，没有芯片寸步难行。

百姓日常生活离不开芯片，手机、电脑、智能手表等智能设备有芯片，光猫、路由器、U盘、储存卡、移动硬盘等网络设备和电脑外设有芯片，身份证、护照、银行卡、购物卡、消费卡等随身证件有芯片，电视、音响、投影仪、充电器、LED灯、电子秤、空调、冰箱、微波炉、电磁炉、热水器等家用电器也有芯片，门禁、监控、太阳能电池等也需要芯片。如果谁发明一种代码让世界上所有的芯片失效，那人类生活将会停滞。

杰克·基尔比因发明芯片获得2000年诺贝尔物理学奖。他也是手持计算器和热感打印机的发明人。基尔比被人称作科学家时，他谦虚地说：“科学家是解释事物的人，要有伟大的思想；而我是解决问题的人，就是个工程师，职责就是发明新工艺，制造新产品，而且还要从发明创造中赚钱。”

2.认识芯片必须首先了解“PN结”

从上文可知，在半导体材料上制作出二极管、三极管、电阻、电容等电子元件，再用导线把它们连接起来，这就是集成电路，也叫芯片。要想认识芯片，必须首先了解“PN结”，它是半导体技术的核心。

半导体材料掺入五价元素，电子浓度增大，形成N型半导体；半导体材料掺入三价元素，空穴浓度增大，形成P型半导体。“空穴”指的是共价键上的电子获得能量后摆脱共价键的束缚成为自由电子后，在共价键上留下的空位。

P型半导体与N型半导体紧密接触后，带负电的电子和带正电的空穴便向对方扩散；电子和空穴在扩散中导致接触面形成内电场，内电场又阻止这种扩散，让电子和空穴向回漂移。当电子和空穴的扩散速度和漂移速度达到动态平衡时，P型半导体与N型半导体的接触面便形成“PN结”。

“PN结”的主要性能就是“单向导电性”。如果把P型半导体端作正极，N型半导体端作负极，电流便可通过PN结；如果把N型半导体端作正极、P型半导体端作负极，电流则不能通过PN结。计算机用二进位就是由“PN结”的性能决定的，电流通过“PN结”代表“1”，电流不能通过“PN结”代表“0”。

“PN结”就是二极管。如果让两块P型半导体中间夹着一块N型半导体,就构成三极管，也就是上文提到的PNP型三极管。当然，如果让两块N型半导体中间夹着一块P型半导体，这就成了NPN型三极管。

普通人是看不到芯片“真身”的，芯片小如人的头皮屑，大的也就像人的指甲盖，因为它太单薄，必须封装在密封的壳中才能连接到外部电路上。打开电脑、电视等电器，可以看到一块很大的电路板，电路板上有很多电子元件，那些有多个引脚的电子元件就是芯片，这些引脚连接着芯片的输入输出端，有的在芯片封装体的两侧，有的在四个面上，有的则是在底部成矩阵排列，密密麻麻，有1000多个引脚。

3.造芯片好比在一粒米上雕刻地球及所有道路建筑

这里需要提及一个概念，那就是“摩尔定律”。1965年，世界著名芯片制造商美国英特尔公司的创始人之一戈登·摩尔提出，单片芯片上的晶体管数量会每年翻一番。后来他更正为每两年翻一番。这一判断经过实践验证基本正确。2011年，英特尔酷睿i7芯片上有22.7亿个晶体管。目前，一些高端芯片上的晶体管数量超过数百亿个。几年前，半导体厂商Cerebras Systems用台积电16纳米制程工艺生产的AI芯片WSE，则集成了1.2万亿个晶体管！

“制程”指的是芯片上晶体管栅极宽度，我们可以把它通俗地理解成晶体管的大小。制程越小，在一块芯片上制作的晶体管就越多，集成电路的规模就越大。

芯片运算速度不断提高，得益于芯片的集成度越来越高。芯片的集成度越高，上面的电子元件就越小，各电子元件之间的导线也就越短，电流通过时用的时间随之缩短，能耗减少，处理速度加快。

让一块芯片承载更多的晶体管，有三种方法，一是增加芯片面积，二是缩小晶体管体积，三是让集成电路立体化。增大芯片面积一般不被考虑，因为这会增加能耗，降低芯片的效率。现在，人们主要采取后两种方法增加芯片上的晶体管数量。

芯片制造属于微观世界，上面的电子元件小到只有几个原子或几个分子大，要用更小的度量衡单位纳米和埃来衡量。一般尺子上的最小刻度是毫米，1毫米等于1000微米，1微米等于1000纳米，1纳米等于10埃。人的头发直径是7万纳米，周长是22万纳米。用制程5纳米工艺制造芯片，就好比沿着一根头发修建4.4万条公路。

缩小电子元件体积是有极限的，人们便考虑在一块芯片上搭建多层集成电路来增加晶体管数量。这就好比是建居民住宅，平房容纳的居民数少，盖成几十层高的楼房容纳的居民数就多。集成电路的叠加要比盖楼房复杂得多。楼房各层布局是相同的，而芯片各层电路是不同的，层与层之间的连接异常复杂。

我们再进一步比喻，制造芯片就像在一颗米粒上雕刻出一个完整的地球，而且还要把地球上所有的道路和建筑都要雕刻出来。道路就是芯片上的导线，建筑就是芯片上的电子元件。通过这个比喻，读者便可想象，制造芯片该有多复杂，难度该有多大。

4.硅的提纯是芯片产业的基础　

半导体材料很多，但在实际应用中，九成以上都选用硅，因为硅的熔点是1415摄氏度，可在芯片加工中允许高温工艺。

硅是从沙子冶炼来的，但要把沙子冶炼成能制造芯片的硅，需要极高的纯度。我们把纯度是99.99%的金叫纯金（4个9），但制造芯片的硅的纯度至少要达到11个9，即每10亿个硅原子里的杂质原子不得超过1个，这一纯度的硅1955年美国贝尔实验室就提炼出来了。目前一块芯片上有数以千亿计的电子元件，对硅的纯度要求更高，至少为13个9，这是芯片制造的基础，不掌握硅的提纯技术，是不可能造出芯片来的！

读者会问，为什么制造芯片的硅要求纯度这么高? 芯片上的电子元件非常微小，如果用5纳米制程工艺制造芯片，上面有1纳米的杂质就会把整块芯片废掉。我们不妨打个比方。如果一条公路40米宽，公路中间有块1米宽的大石头， 汽车 可避开这块石头走，不会造成交通拥堵。但是，如果一条公路只有5米宽，公路中间有块1米宽的大石头， 汽车 就避不开这块石头了，这条公路就堵死了。

所以，制造芯片不但要求硅的纯度高，还要求制造工艺的各个环节是无尘的，其纯净度是医院外科手术室的10万倍，甚至有一半的工艺是在真空环境下进行的。正因为如此，新冠肺炎疫情下芯片制造厂无需停工抗疫，因为工作人员从头到脚全身防护，有的防护服甚至自带呼吸系统，以防人体新陈代谢的脱落物和呼出的气体污染芯片。

5.光刻机其实是集成电路投影仪

“光刻机”这个名字翻译不准确，很有误导性，很多人误认为光刻机通过物理接触在晶体硅表面上“刻”出集成电路来，就像电脑刻字一样。其实，芯片不是“刻”出来的，而是“照”出来的。所以，光刻机叫“集成电路投影仪”更贴切。

当制造芯片的晶圆进入光刻工艺阶段时，光刻机通过掩模版把集成电路图投影到晶圆表面的光刻胶上，光刻胶曝光后，通过化学药液把曝光区域蚀刻，然后清洗，这样，集成电路的图形就出来了。光刻过程和传统照相的照片冲印是一个道理，光线通过底片让相纸感光，然后把感光的相纸放在药液里显影、定影。

一块芯片要经过数十次甚至数百次光刻，光刻后的若干工艺还需要几个星期，然后才能进入封装阶段。

芯片制造技术日新月异，但芯片制造的大多数核心技术出自贝尔实验室，贝尔实验室为信息技术革命所做的贡献永垂青史。

7.有光刻机就能造芯片吗？

很多读者对光刻机很感兴趣，认为有了光刻机就能造出芯片来。其实不然，虽然光刻机在芯片制造中占重要地位，但它仅是芯片制造1000多道工艺中的一道而已，有了光刻机但如果没能掌握其他工艺，照样造不出芯片来。

1961年，美国GCA公司制造出世界上第一台光刻机。目前，世界上有4个国家的7家公司可以制造光刻机，即荷兰的阿斯麦尔，美国的英特尔、超 科技 半导体、鲁道夫，日本的尼康、佳能，德国的速思微科。

上文已述，芯片产业的基础是材料，也就是硅的提纯，不掌握硅的提纯技术，生产不出芯片级纯度的晶体硅，造芯片就无从谈起。

再有，芯片上有数以千亿计的电子元件，这么庞大的电路靠人工是画不出来的，必须使用电子设计自动化软件EDA。EDA是诸多自然学科的综合运用，由美国凯登、新思 科技 和明导三家公司垄断。

EDA在芯片制造过程中起着决定性作用，芯片的功能和集成度，完全取决于EDA的设计能力。有了高纯度硅和光刻机，却没有EDA或不会使用EDA，照样造不出芯片来。

非金属矿物制品锗片入什么会计科目？

非金属矿物制品的锗片，如果是生产用的原材料的话，就计入原材料科目，如果是产成品准备销售的话，就应该计入库存商品的科目。

世界上第一个造芯片的人是谁，他怎么知道沙子可以造芯片？

世界上第一块芯片是 杰克·基尔（Jack Kilby）比发明的。

杰克·基尔（Jack Kilby）

至于你提问的“他是怎么知道沙子可以造芯片”下边介绍里有粗体字注解

杰克·基尔比（Jack Kilby，1923年11月8日－2005年6月20日）是集成电路的两位发明者之一。1947年，基尔比获得伊利诺伊大学的电子工程学学士学位，1950年获得威斯康星大学电子工程硕士学位。1958年，成功研制出世界上第一块集成电路。2000年，基尔比因集成电路的发明被授予诺贝尔物理学奖。

沙子最一般的组成成份为二氧化硅，通常为石英的形式，因其化学性质稳定和质地坚硬

当然，要使大街货的沙子变成充满科技感的CPU其中必然会经历一系列复杂的过程。首先，就要对沙子进行提纯，在亿万颗砂砾中选择出最纯净的单质硅原料，这个过程也存在较大的难度。需要将天然沙子放在专门的高温处理仪器上进行高温熔化，而后冶炼出精度高达99.99%的单质硅晶体，这才算是走完了“万里长城第一步”，接下来还有重重关卡在等候。

基尔比的父亲是位电气工程师，并担任过堪萨斯电力公司的总裁，在世人们看来，基尔比的确是个典型的理工男。基尔比身高一米八九，有着一张和善的脸和一头地中海式的卷发，与人说话时的语速慢得出奇。然而，基尔比的动手能力却可谓为一流。而且，基尔比始从始至终乐意被人们当作一名工程师来对待，且对自己的动手能力向来颇有自信。

1958年，基尔比34岁，正式加入德州仪器中工作。当时美苏冷战进入第一次高潮期。1957年，世界上第一颗人造卫星被苏联航天机构成功地送上了预定轨道，美国内舆论一片哗然，美国当局以及美国军方部门对此倍感压力。当时美国军方本已与德州仪器建立起合作关系，美国军方要求德州仪器研制出小型化的计算机设备。可是，基尔比倒是觉得，与其按德州仪器计划的那样把所有的成品元件整合到一起，倒不如一开始就把这些元件集成到一块芯片上。如此便可避免各元件间连接显得很是复杂。他利用德州仪器其他员工们外出度假之机，独自呆在半导体实验室中就此展开研究。

杰克·基尔（Jack Kilby）

基尔比通过两个多月的努力，到1958年9月12日，基尔比发明出了全球第一块集成电路样品，这件东西有半英寸长，由做在一块锗片上的两个电路组成。随后，基尔比向他的同事们展示了这个样品。当他紧张地检查好连接，推上开关，一条浅绿色的模型线横穿示波器的屏幕，画出一条完美的正弦波形，实验成功了！基尔比的成功很大程度上仰仗着他堪比外科医生的过人手艺，手工将元件用细金属线与芯片连接起来，但距离能在工厂流水线上进行实用化生产还有相当的距离。”

全球第一块集成电路

前面说了基尔比和他发明了全球第一块集成电路，后面自然还要说到诺伊斯。诺伊斯从小在美国中西部一个普普通通的乡村成长，没有显赫的家庭背景，完全凭借着自己的勤奋与聪慧，在世界半导体行业中创出了一番大事业。世界IT业界中流行着这样一种说法：“集成电路芯片的发明专利是由两个人共同持有的，一个是基尔比，另外一个人就是在IT界中名气响当当的诺伊斯。”

诺伊斯与摩尔等人于1957年创立仙童半导体后不久，仙童半导体跟德州仪器一样，亦试图找出让计算机设备小型化的方法。于是，诺伊斯为首的研究团队便不得不攻克大量的难题。其中最为关键的一个技术难点在于，“电路中电线越多，电子脉冲就绕得越远，而人们无法使脉冲快过光速，那么人们制造快速计算机的最佳方案是通过缩小电路板的方式以减少脉冲穿行距离”，诺伊斯的团队为解决这一世界性的技术难题用了两年多的时间。1959年7月，诺伊斯研发出一种二氧化硅（沙子的主要成分就是二氧化硅）的扩散技术和PN结的隔离技术，并创造性地在氧化膜上制出铝条连线，让元件与导线合为一体，开发出了半导体芯片的平面制作工艺，为工业化量产奠定了坚实的基础。由于硅的商业前景远胜于锗，所以诺伊斯一直把自己的目光锁定在硅芯片上。

后来，仙童半导体最终走向分崩离析，主要原因之一是研发团队与投资方之间的矛盾不断激化。仙童半导体的八个创始人只好各奔前程，而其中，诺伊斯、摩尔与格鲁夫于1968年联合创立了英特尔。先前，英特尔的主要业务集中于存储器。1969年4月，来自日本的计算机厂商Busicom与英特尔开展业务合作，由英特尔为Busicom的五款计算器开发相应的专用处理器。

传感器的分类有哪些

电压型压力传感器有：

压敏电阻式传感器、

可变电感式压力传感器、

膜盒式压力传感器、

可变电阻式压力传感器、

压力开关型的压力传感器等。

频率型压力传感器有：

电容式及弹性波式压力传感器。

在汽车中应用最广的是压敏电阻式及电容式压力传感器和开关类型的压力传感器。

一、压敏电阻式压力传感器

压敏电阻式压力传感器的传感元件是由位于膜片表面的压敏电阻与硅钢膜片组成。

膜片的周围有四个电阻互相连接，称为惠斯顿电桥电路，比如我们日常用的家电中的电源电路中整流部分一般用的就是惠思登电桥二极管整流电路。

当压力发生变化时，电桥电路电阻发生改变，电桥两端的5V电压发生变化，通过放大电路放大并转换成信号输出给接收设备。

压敏电阻式压力传感器由于其尺寸小、精度高且生产成本低，所以被广泛的应用在轿车及载货车上，也是目前汽车上进气压力传感器中最先进的一种。

但是，半导体元件的缺点是受温度影响较大，所以一般需要加装晶体管温度补偿电路。

电控系统中的进气压力传感器及轨压传感器大部分属于此种压力传感器。

二、膜盒式压力传感器

这种传感器是由很薄的金属片焊接成气压罐，通过气体的正压力或负压力（即抽真空）使膜盒膨胀或收缩，膜片移动时驱动操纵杆移动，膜片经过微分变换器，使其转换成电阻变化形成电信号输出，工作原理类似于机械高压泵上的冒烟限制器。

三、可变电感式压力传感器

该压力传感器主要是由两个线圈产生互感电压，当交变电压通过一个线圈时，通过互感作用使另一个线圈产生互感电压，耦合越紧则输出电压越大，所以，当铁芯向线圈中间移动时，输出信号增大。

四、开关型压力传感器

开关型压力传感器应用比较广泛，一般分薄膜式压力传感器和弹簧管式压力传感器。

1）薄膜式压力传感器：该型传感器普遍用于汽车中的报警电路中，如储气筒压力传感器、机油压力开关、空滤堵塞传感器等等。

该型传感器主要由膜片、弹簧、触点等组成，当压力低于标定值时，膜片在复位弹簧的作用下向下移动，从而使触点闭合，点亮相应报警灯。

2）弹簧管式压力传感器

在以前的旧车型中主要用于机油压力的报警装置中，如EQ1090型载货汽车及WD615发动机的机油压力传感器。

它由动触点、静触点及管型弹簧构成，当机油压力高于规定值时（一般是0.8±0.05kPa）弹簧管受压力驱动，变形较大，使触点分开，报警灯回路被切断，报警灯熄灭，当压力低于规定值时，弹簧管变形较小，触点处于接通状态，报警灯形成回路，使报警灯点亮。

五、电容式压力传感器

该类型传感器是用氧化铝膜片与底板一起形成电容，当有压力作用在膜片上时，膜片产生压力差，经过集成电路处理后产生与压力成正比的可变频率信号。

其实该型传感器就是一个通过改变间隙使两极板之间的电容值发生变化，使谐振频率发生变化，控制装置根据信息的频率便可计算出当时的绝对压力。

该类型压力传感器在轿车中应用较多。

压力传感器除上述部分外，还有如可变电阻式压力传感器、差动变压器式压力传感器等等，之后再一一介绍！

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