由集成电路和芯片构成的主板。图库版权图片，不授权转载
“芯片”的“芯”指的是它的主要性。在当代社会中，很多芯片扮演着“大脑”的浸染，作为设备的核心，芯片的利用让设备变得“智能”。而“芯片”的“片”则代表它的形态，芯片大部分都是片型，这种高度集成的形态便于将其放入各种设备中。
芯片的运用非常广泛，因此其分类也十分繁芜。提及芯片，大部分人可能会纯挚将芯片和电脑 CPU 划上等号。然而，芯片所涵盖的范围远不及此，电脑 CPU 只是芯片所发挥的各种功能中的一种。
01
芯片的分类
按照功能分类，芯片可以分为 4 种，分别是：
以电脑的核心 CPU（中心处理器）、GPU（图像处理的芯片）为代表的打算芯片；以内存芯片 ROM（只读存储器）、DRAM（动态随机存储器）为代表的存储芯片；以相机核心 CMOS（互补金属氧化物半导体存储器）为代表的感知芯片；以 AC/DC 电源管理芯片为代表的能源芯片和以 5G 为代表的通信芯片等。可以这么说，人们日常生活的方方面面都离不开芯片。
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按照不同运用处景分类，芯片还可以分为消费级、工业级、汽车级和军工级芯片。除性能外，它们的紧张差异在于事情温度及环境承受能力。
比如，我国嫦娥四号的 CPU 的运算速率只有你手机芯片的几十分之一，可能你会感到奇怪，为什么如此前辈的登月技能却用这么“慢”的 CPU 呢？这是由于二者的事情环境存在差异。
手机芯片安稳“躺”在主板上，室温稳定，阔别水、磁，还有散热片防止它“发热”，这样的事情环境，完备可以用“舒适”来形容。我们好吃好喝的照顾，它还偶尔会抽风去世机。而嫦娥四号的 CPU 所处的太空环境温差达到 300℃，而且时时刻刻都暴露在致命的宇宙辐射下。因此，嫦娥四号的 CPU 须要从材料、系统、构造等各个方面进行分外设计，从而使其能够与宇宙环境作“对抗”。
因此，对付军工产品或航天设备来说，担保芯片在不同繁芜环境条件下的事情稳定性和可靠性才是最主要的考虑成分。
嫦娥四号，图片来源：中华公民共和国中心公民政府官网
如今，芯片的制程工艺越来越受到到人们的重视。所谓的“几纳米工艺”，以前常日指的是芯片中晶体管的栅极长度，数字越小就代表着单位面积芯片的晶体管集成度越高，其性能也越强。然而，随着芯片的晶体管数量越来越多，人类在 CPU 上的工艺进步逐渐放缓，现在的制程和栅极长度已无法匹配。
02
从仿照旗子暗记到数字旗子暗记
开启自然界的数字化篇章
自然界的事物都是连续的，如连续的韶光，连续的水流，“连续”的长度。最初科学家的发明也是“连续的”，例如，有线电话和无线广播都是直接传送和源头千篇一律的声音波形，早期的胶片拍照依赖化学材料感光，类似于人眼的频谱映射，从而产生图像。这种“连续”旗子暗记我们将其称为“仿照旗子暗记”。仿照旗子暗记完全捕捉或还原了自然，其看似是一个很完美的技能。然而，现实情形果真如此吗？
旗子暗记在传输过程中要经由许多环节的处理和转送，在这些过程中，仿照旗子暗记会受到滋扰；同时，如果是有线传输，其线路附近的电气设备也会产生电磁滋扰。如果是人类所追求的无线传输，开放环境由于存在更多的不可抗力成分，使得仿照旗子暗记险些无法利用，严重影响通讯质量。为此，人们想了许多办法努力规复仿照旗子暗记，但都无法从根本上办理滋扰的问题。
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不过，后来人类创造，如果将连续的仿照旗子暗记转化成离散的数字旗子暗记，问题就会迎刃而解。虽然相较仿照旗子暗记而言，离散的数字旗子暗记天生就存在偏差和分辨率，但由于数字旗子暗记在运输过程中具有天生的上风，它可以大大缓解旗子暗记的滋扰与噪声。因此，困扰人们多年的问题得到理解决。
从发明数字旗子暗记这一刻开始，自然界的数字化进程便开始了。想要得到连续的图像？可以！
将图片拆解为一块一块像素，再将每个像素的颜色分为红绿蓝不同亮度的组合，图像就可以变成无数二进制数字。想要得到连续的声音？也可以！
先将连续旗子暗记离散化，然后将每部分用二进制表示，二进制的位数反响了声音波形的精度，末了再进行编码即可变成数字。
仿照旗子暗记（上）和数字旗子暗记（下）
险些自然界所有物体都可以被我们在数字天下仿照出来，终极天下“归于”1 和 0 两个数字。以是那句“天下是你们的，也是我们的，但究竟是程序员的”很有道理。
03
半导体
芯片“挥洒文采”的“白纸”
正如墨客满腹经纶的文采须要挥洒在白纸上，芯片上的逻辑电路也须要这样一张“白纸”，去展现它的“实力”。而半导体——紧张是由高纯度硅制作的硅片，就可以作为“白纸”，让电路设计师在上面肆意挥洒聪慧，制作出各种功能的高性能芯片。因此，在芯片中，半导体和集成电路同样主要。但你有没有想过，为什么人们会选择半导体作为“白纸”呢？为什么人们在浩瀚半导体中又选择了“硅”这种元素呢？
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半导体有很多神奇的性子，它差异于随意马虎导电的导体和险些无法导电的绝缘体。从字面意思而言，可以将半导体理解为一种导电性介于导体和绝缘体之间的物质。然而，半导体远没有这么大略，“半”更表示在“变”，它的导电性可以随条件变革而发生剧烈的转化。
首先是掺杂。纯净的半导体靠近绝缘体，险些无法导电。但如果在半导体中掺杂，它的导电性会急剧增加，如果掺杂过多，乃至会像导体那样非常随意马虎导电。此外，掺杂不同的原子，可以让半导体呈现或正或负的电性，分别称为 P 型半导体和 N 型半导体。根据这两种半导体，科学家们制作出了二极管、三极管等设备，这些设备可以用来制作能够加减乘除的运算器、实现与或非的逻辑电路、完成繁芜的运算。
其次是电压。如果将P型和N型半导体碰在一起，它们内部的电子在电场或扩散等的浸染下，会在两种半导体间形成一个“耗尽层”。当施加不同方向的电压时，增厚或减薄耗尽层，同样可以实现电路的通或断。而这种电压掌握下的通断转化，是迅速的、可逆的、可反复进行的。
如果将电路的通看作“1”，断看作“0”，就会创造芯片的通断居然和数字旗子暗记如此融洽。如果自然界可以由0和1组成，那么半导体便是构建天下的画笔。依据半导体神奇的特性，以它为原材制备的芯片可以实现你能想象到的所有功能。无论是在游戏中仿照出无法分辨的真实天下，还是打造极像人类思维的人工智能，芯片终极可以将人类送入数字的时期。
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04
半导体中的“佼佼者”——硅
硅并不是天生的宠儿。最初，人类选择锗作为芯片材料，并且此后全体行业也一贯试图找出可以替代硅的其他半导体，砷化镓、氮化镓等半导体也随之应运而生，但它们都无法取代硅在芯片行业中统治般的地位。这是由于硅有如下几个巨大的上风：
1. 首先，硅在自然界中极其丰富。硅在地壳中的含量达到 28.6%，广泛存在于岩石、砂砾、尘土之中，仅次于氧，乃至硅在宇宙中的储量排在第八位。
2. 掺杂性好。半导体的上风之一便是掺杂性，而硅正是最适宜掺杂的材料之一。
3. 此外，硅的物理和化学性子相对更稳定，做出的芯片不随意马虎破坏。
4. 硅还具有极好的电子迁移率。迁移率指的是载流子（电子和空穴）在单位电场浸染下的均匀漂移速率，即载流子在电场浸染下运动速率的快慢程度。迁移率是材料的电导率的决定性成分之一，迁移率越大，电阻率越小，通过相同电流时，功耗越小，产生的热量少，因此电流承载能力就越大。除功耗小以外，高迁移率还会影响到器件的事情频率。例如，晶体管的截止频率和载流子迁移率成正比，因此，提高载流子迁移率，就能够提升晶体管的开关速率，从而提升芯片的性能。
5. 此外，硅有着致密氧化物——氧化硅。氧化硅不溶于水也不溶于大部分酸，这和印刷电路板技能“一拍即合”，结合的产物便是现在的集成电路平面工艺。
6. 末了，硅随意马虎提纯。经由数十年的研究，现在我们已经能够生产纯度高达99.999999999%的硅，这险些是自然界中最纯净的物质。提纯对付芯片制作而言非常主要，随着一枚芯片中所包含的晶体管数量越来越多，芯片构造长度达到纳米级别，在这种情形下，制作如此精密的构造所须要的“白纸”就须要尽可能平整，洁白，即硅片须要具有高纯净度、高平整度、高清洁度和低杂质污染度的属性，才能完美保持芯片设计的功能。
硅片，图库版权图片，不授权转载
看到这里，或容许能有人想知道，既然硅片的浸染如此主要，想必它的制作过程一定很困难。实在，制作硅片的过程并不难，但如何才能制作出这么纯净的硅片呢？请听下回分解。
出品｜科普中国
作者｜王智豪（中国科学院长春光学精密机器与物理研究所）
监制｜中国科普博览
选送单位：中国科学院打算机信息网络中央
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