什么是硅芯片？

主要由硅构成的集成电路被称为硅芯片。硅是制造计算机芯片最常用的材料之一。图中展示了一块包含各种硅芯片的硅晶圆的插图。

集成电路又称硅芯片。它是所有计算设备的核心部分。顾名思义，硅是硅芯片的主要成分。它是地球上含量第二丰富的元素，仅次于氧。硅因其半导体特性以及在全球范围内易于获取而备受青睐。它具有成为制造硅晶圆和芯片的理想原材料的特性，这些芯片有助于生产我们使用的众多现代技术。硅芯片构成了设备的“大脑”，控制着它所有的内部机制。硅芯片的一些例子包括平板电脑、智能手机和笔记本电脑。

如何一步步用硅制造芯片

制造工厂也称为晶圆厂 (fabs)。它们经常用于生产计算机芯片。它们由硅制成，硅是沙子的一种常见化学成分。由于其半导体特性，硅的导电性介于玻璃等绝缘体和铜等金属之间。

1. 使用直拉法 (Czochralski process)，主要以石英岩等原材料，通过电弧炉将硅转化为纯硅晶体，从而生产出冶金级硅。
2. 将硅蒸馏、液化，然后重新塑造成棒状，以帮助去除任何杂质。
3. 将提纯后的棒状多晶硅切成小块，放入使用氩气实现无空气的特殊烤箱中。烤箱内超过2500华氏度的温度会使这些硅块熔化。
4. 当硅熔化成块时，将一个微小的籽晶放入硅中，并在坩埚中旋转。
5. 在设备继续旋转和冷却的同时，籽晶被逐渐从熔化的硅中拉出，形成一个大晶体。通常其重量超过几百磅。
6. 然后使用 X 射线机检查巨大的硅晶体，以确保其纯度。
7. 如果晶体纯净，则将其切割成微小的切片，制成晶圆。
8. 对每个切割的晶圆进行抛光，以去除切割过程中可能产生的任何污染物。
9. 完成所有抛光后，将晶圆放入一种设备中，该设备使用 **光刻 (photolithography)** 的方法将电路设计蚀刻到硅上。
10. 在使用光刻技术时，首先在晶圆上涂覆 **光敏化学物质**，这些化学物质在暴露于 **紫外光** 时会变硬，然后通过紫外光将芯片设计层曝光到晶圆上。
11. 曝光后仍残留的 **光敏化学物质** 被冲洗掉，只留下芯片图案。在去除化学物质后，可以对该层进行烘烤、用电离等离子体轰击或浸泡在金属中。由于每个芯片设计都有多个层，因此会重复光刻操作，直到创建完所有层。
12. 最后将硅晶圆切割成独立的硅芯片。

硅芯片如何工作？

电信号通过计算机芯片的电路元件传输，使其能够工作。

1. 模拟集成电路

在预定时间内，**模拟电路** 提供 **变化的连续信号**。输出信号是输入信号的线性函数，电压成正比。运算放大器、稳压器、比较器和定时器等集成电路常用于此类设备。在扫频仪、振荡器、音频放大器和滤波器中都可以找到模拟芯片。

2. 数字集成电路

**数字电路** 通过 **二进制** 或 **离散信号** 进行传输。输出电压可以是 **高** 或 **低**。**高电压** 代表 **布尔值 1**，**低电压** 代表 **值 0**。数字电路可以执行各种逻辑运算，如 **AND、OR** 和 **NAND**。例如，**逻辑 OR 运算** 是计算机加法运算的基础，等同于布尔加法。因此，数字集成电路是所有计算活动的基础。它们对于所有可编程设备、逻辑板、微控制器和内存至关重要。

3. 混合信号集成电路

混合芯片同时包含 **模拟** 和 **数字芯片组件**。具有 **数字到模拟** 和 **模拟到数字** 转换功能的芯片可以通过混合设计实现。这一代新的集成电路是现代计算的又一个重要组成部分。

4. 量子电路

计算的进步正朝着量子电路方向发展。量子电路是一种计算机程序，它指定了一系列对底层量子比特（也称为 **量子位**）的量子逻辑操作。**量子位** 由 **量子粒子** 表示，与 **布尔信号** 不同。布尔信号只有两种可能的状态：**1 或 0**，而量子位可以具有多种状态叠加。量子计算是一种新兴技术，其基础是包含量子电路的芯片。

有哪些类型的计算机芯片？

根据功能，计算机芯片分为四大类。

1. 存储芯片

**计算机** 和 **存储设备** 在存储芯片中存储数据和程序。虽然闪存驱动器和 **固态硬盘 (SSD)** 可以无限期地存储数据，但 **RAM 芯片** 只提供短期存储。即使关闭电源，闪存单元也可以继续保存数据。

2. 逻辑芯片

逻辑或处理器芯片通过处理数据来完成任务。它们是当今技术设备的“大脑”。CPU 是服务器和其他计算设备微处理器中最常见的逻辑芯片。但是，逻辑芯片也可以被设计成执行特定任务。例如：

1. 图形处理单元 (GPU) 可充分发挥视觉显示效果。
2. 神经网络处理单元 (NPU) 是为深度学习和机器学习应用而设计的。

3. ASIC

**ASIC（专用集成电路）** 是为执行特定目的的重复处理任务而设计的。这些现代芯片大量生产，用于条形码扫描仪等专用设备。另一个例子是比特币挖矿，它使用 ASIC 来执行生成新比特币所需的复杂数学运算。

4. SoC

**片上系统 (SoC)** 是一种更新的芯片类型。一个芯片包含了系统作为一个整体所需的所有电子元件。将 **SoC** 和 **微控制器** 的功能进行比较，**SoC** 更强大。微控制器通常集成了 CPU、内存和 I/O 处理。然而，图形、音频、摄像头和视频处理都可以集成到 SoC 中。