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【芯片科普】芯片的本质是什么?半岛彩票

发布时间:2023-07-29 22:56浏览次数: 来源于:网络

  半岛彩票目前,芯片已经成为一个非常热的话题。那什么是芯片呢?这个小小薄片的本质是什么?看完这篇内容,你就是这个问题的专家了。

  由于芯片非常的脆弱,因此厂商会通过封装技术,用一个外壳把它保护起来,就是你拆开手机或电脑后,看到镶在里面的的那个黑色小方块。

  当你把芯片翻过来,你会看到密密麻麻的金属引线,这些引线的作用,是使芯片电路与外界电路相连,它们有的负责供电,有的负责信号的输入、输出。

  就好比你家的电视机,它需要有两类线才能工作,一根是电源线,负责给电视机供电,另一根是信号线,负责将机顶盒的信号传给电视。

  这就是一个真实芯片的样子。很多人对芯片有误解,认为只有像电脑里CPU那种才是芯片。其实,CPU属于逻辑芯片,可以做逻辑控制,有运算功能。但芯片还有很多其他种类,比如具有通信功能的通信芯片(5G芯片、Wi-Fi芯片、蓝牙芯片),还有像内存、U盘里的存储芯片(DRAM、NAND),还包括手机里陀螺仪那种传感芯片等等。

  这些芯片工作的原理和电路结构都不一样,可是都属于芯片。这就有个问题了,芯片的本质是什么呢?

  过去国家要发展半导体产业,半导体是芯片吗?现在国家加大科技攻关力度,聚焦集成电路、人工智能等等领域,这个集成电路是不是也是芯片?这几个概念经常混着使用,那到底什么是芯片的本质呢?

  我们知道,芯片用的是半导体材料,可为什么是半导体呢?一句话概括,因为只有半导体才能“用电控制电”。

  在半导体之前,人类只能用机械控制电。比如,电报的工作原理,是通过滴滴滴哒哒哒的机械开关,控制电流的导通和断开,从而将信息传递出去。后来人们还发明了继电器装置,甚至还发明了继电器组成的计算机,大幅度提高了对电的控制效率。但不管是电报还是继电器,都只能用机械开关控制电的阻断,因为连接器件的是电线,是导体,要让电线断开,必须要有物理的隔离,这无疑是效率极低的。

  你可能看过开合桥,当有轮船需要经过时,这座桥的中间会打开,当船通过之后,桥再合上。当船打开的时候,要过桥的汽车,不管有多着急,都得在一旁憋屈个半天,等桥合上了才能通过。无疑,这个效率得把人急死。

  你想,如果要是有个魔法棒,当轮船来了,大桥一下子消失,等轮船过了,大桥又可以立马变回来。这是不是就比机械开合要快多了?

  好在20世纪初,量子力学的发展让人类发现了这个魔法棒,它就是半导体这一关键性材料,人们只是通过施加电压的变化,就能让它在导体和绝缘体之间随意切换。

  通过半导体的这个魔法材料,人类实现了用电这个高级物理形式来控制电这个高级的能量形式,处理信息的能力大大提升。

  所以,芯片首先必须是半导体材料,这个本质也是芯片开启信息时代的根本原因。

  那只有半导体材料就够了吗?不行,还必须得是集成电路。因为要想实现功能,光有一个晶体管还不够,必须得把很多晶体管连成电路才行。

  在早期,人们用半导体材料做出一个个的开关器件,把这些器件就像现在的灯泡一样,一个个连到电路里来实现功能。可这里的问题是,我们需要大量的器件才能实现复杂的功能,但一个个独立器件组成的系统很难缩小。

  集成电路技术的发明人之一Robert Noyce说起他发明集成电路技术的初衷,就是觉得手工把元器件一个个的焊到一起真是太麻烦了。你要知道,当时他焊的电路也就几百个元件。现在的电路动不动可就是几亿、几十亿个器件,除了集成电路的形式,还真就没别的好办法。

  原本我们是组装单独的器件焊起来,现在就像是微雕,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,刻刀就是你最近常听到的光刻机。只不过这把刀不是金属,而是激光做的,非常非常细。

  有了集成电路之后,我们就可以把器件做得非常小了,而且还能不断做得更小,现在已经刻出纳米尺寸的开关来了,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远超你的想象。

  说到这里,你可能还有一个问题,为什么一堆开关连接到一块,就能实现计算、存储这些功能呢?这里面有很复杂的科学理论,但在这里,我们必须要知道一个简单的道理,那就是所有复杂的运算,都能还原成最基本的0和1。

  比如说,走迷宫看起来是个挺复杂、挺智能的事,但咱们把这事还原下去,其实就是在每个岔口做的选择题,要么走左边,要么走右边。左边对应0,右边对应1,左右分别对应开和关。迷宫的走法对应着软件的算法,其实靠着一堆开关连接起来就能完成运算了。

  不光是走迷宫,就算今天很流行的人工智能美颜,甚至是下围棋的AlphaGo这样的复杂系统,还原到最底层,其实也是由大量晶体管组成的CPU、GPU,再组成计算机主机,再连接起来构成超级大脑。总之,计算机里任何你觉得很智能的事,最底层都可以用0和1来完成。

  当然想要完成复杂的功能,就需要更多的晶体管才行。这就是为什么我们一定要用集成电路,就是想在更小的面积上,集成更多的晶体管。

  到这里小结一下,芯片的本质就是半导体集成电路,就是用简单的晶体管开关构成了一个复杂系统,从而,构建出了数字世界的基础,让人类进入到一半物质世界一半数字世界的新时代。

  不过,关于芯片的重要性,还有一点值得讲讲。虽说芯片构建了数字世界的基础,但物质世界跟数字世界可并不是天然连通的,中间有一道隐形的墙。

  比如,过去,我们只能用实物来计算实物,小学课本里的曹冲称象,他发现给大象称重不好办,于是就把称大象改成了称石头,这就好称了。这个看起来很聪明的转换,其实完成的也只是从物质到物质的映射。大象重量的传输和计算都只能在物质世界里完成,你要想称两头大象总重量,就得称两堆石头。

  但是有了芯片,这个问题就简单多了。今天要称一个大货车的重量,不用映射到石头了。只要把这辆车开到高速公路收费站,就会经过一个电子地磅,这里面的芯片能感知压力,货车重量直接变成了一个数字,这个过程就把物质世界直接映射到了数字世界里。

  在数字世界里,货车重量可以被快速传播、快速计算、长久存储。公路管理部门可以拿这些数据去做超重监控,统计每年公路运输总量。商务部门能得知这个地区商贸、物流的信息。

  这些信息经过芯片处理,人类原本在物质世界里做的一切,几乎都可以在数字世界完成了。比如在购物网站买一包饼干,几天后快递送上门。这包饼干从出库、运输直到你手里的这个过程,都是靠数字世界的信息来控制的。

  所以说芯片是物质世界和数字世界的接口。而且今天芯片能处理的不只是重量,今天物质世界里几乎所有的物理量“力热声光电”,都能通过芯片映射到数字世界里。

  比如电水壶里的温度芯片,就能把热这个物理量变成电信号,就能控温了;汽车轮胎的胎压传感器芯片,能把压力转变成电信号,就能保障行车安全,等等。甚至现在正在探索的脑机接口,通过把神经信号转化成电信号,让大脑的思想也能进入数字世界。

  芯片的接口功能越来越强,这也是今天,数据量猛增,数据变得特别重要的原因。

  看到这里,你也就明白了,芯片是数字世界的基石,更是物质世界与数字世界的唯一接口,芯片技术决定了我们信息技术的水平。

  我们是进入数字世界的第一代人类,就像马斯克移民火星是为了开拓新的物质世界一样,我们也要在数字世界里开疆拓土,芯片就是我们的飞船、锄头、枪炮。今天,谁控制了芯片,就控制了我们和数字世界的一切连接。

  半导体是集成电路的基础材料,集成电路是芯片的重要组成部分;芯片是集成电路的载体,是集成电路经过设计、制造、封装、测试后的结果。

  有了芯片,人们可以直接通过操控电子来处理信息,创建庞大的数字世界。今天每个人都处于半物质半数字的状况中,芯片就是数字世界的基石,更是数字世界与物质世界的唯一接口。

  在这里,给你留一道思考题:你认为还有哪些你和外界的交互过程不能被芯片取代呢?欢迎在留言区,与我分享你的思考。

  以上内容整理自清华大学副研究院李铁夫的授课,感谢李铁夫老师浅出深入的讲解。

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