我們通常所說(shuō)的“芯片”指內(nèi)含集成電路的硅片，體積很小，常常是計(jì)算機(jī)或其他電子設(shè)備的一部分。芯片(chip)或稱微電路(microcircuit)、微芯片(microchip)、集成電路(英語(yǔ)：integrated circuit, IC)，在電子學(xué)中是一種把電路(主要包括半導(dǎo)體設(shè)備，也包括被動(dòng)組件等)小型化的方式，并通常制造在半導(dǎo)體晶圓表面上。前述將電路制造在半導(dǎo)體芯片表面上的集成電路又稱薄膜(thin-film)集成電路。另有一種厚膜(thick-film)混成集成電路(hybrid integrated circuit)是由獨(dú)立半導(dǎo)體設(shè)備和被動(dòng)組件，集成到襯底或線路板所構(gòu)成的小型化電路。

圖1 芯片

1.芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.1系統(tǒng)級(jí)

以手機(jī)為例，整個(gè)手機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的電路系統(tǒng)，它可以玩游戲、可以打電話、可以聽(tīng)音樂(lè)等等，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由多個(gè)半導(dǎo)體芯片以及電阻、電感、電容相互連接組成的，稱為系統(tǒng)級(jí)。(當(dāng)然，隨著技術(shù)的發(fā)展，將一整個(gè)系統(tǒng)做在一個(gè)芯片上的技術(shù)也已經(jīng)出現(xiàn)多年——SoC技術(shù))

1.2模塊級(jí)

在整個(gè)系統(tǒng)中分為很多功能模塊各司其職。有的管理電源，有的負(fù)責(zé)通信，有的負(fù)責(zé)顯示，有的負(fù)責(zé)發(fā)聲，有的負(fù)責(zé)統(tǒng)領(lǐng)全局的計(jì)算，等等。我們稱為模塊級(jí)。這里面每一個(gè)模塊都是一個(gè)宏大的領(lǐng)域，都聚集著無(wú)數(shù)人類智慧的結(jié)晶。

圖2 模塊級(jí)

1.3寄存器傳輸級(jí)(RTL)

每個(gè)模塊是以占整個(gè)系統(tǒng)較大比例的數(shù)字電路模塊(它專門(mén)負(fù)責(zé)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，處理的電信號(hào)都是離散的0和1)為例。它是由寄存器和組合邏輯電路組成的。

寄存器是一個(gè)能夠暫時(shí)存儲(chǔ)邏輯值的電路結(jié)構(gòu)，它需要一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)來(lái)控制邏輯值存儲(chǔ)的時(shí)間長(zhǎng)短。實(shí)際應(yīng)用中，需要時(shí)鐘來(lái)衡量時(shí)間長(zhǎng)短，電路中也需要時(shí)鐘信號(hào)來(lái)統(tǒng)籌安排。時(shí)鐘信號(hào)是一個(gè)周期穩(wěn)定的矩形波。現(xiàn)實(shí)中秒鐘動(dòng)一下是一個(gè)基本時(shí)間尺度，電路中矩形波震蕩一個(gè)周期是它們世界的一個(gè)時(shí)間尺度。電路元件們根據(jù)這個(gè)時(shí)間尺度相應(yīng)地做出動(dòng)作，履行義務(wù)。

組合邏輯是由很多“與(AND)、或(OR)、非(NOT)”邏輯門(mén)構(gòu)成的組合。

一個(gè)復(fù)雜的功能模塊正是由這許許多多的寄存器和組合邏輯組成的。把這一層級(jí)叫做寄存器傳輸級(jí)。

1.4門(mén)級(jí)

寄存器傳輸級(jí)中的寄存器其實(shí)也是由與或非邏輯構(gòu)成的，把它再細(xì)分為與、或、非邏輯，便到達(dá)了門(mén)級(jí)(它們就像一扇扇門(mén)一樣，阻擋/允許電信號(hào)的進(jìn)出，因而得名)。

1.5晶體管級(jí)

無(wú)論是數(shù)字電路還是模擬電路，到最底層都是晶體管級(jí)了。所有的邏輯門(mén)(與、或、非、與非、或非、異或、同或等等)都是由一個(gè)個(gè)晶體管構(gòu)成的。因此集成電路從宏觀到微觀，達(dá)到最底層，滿眼望去其實(shí)全是晶體管以及連接它們的導(dǎo)線。

雙極性晶體管(BJT)在早期的時(shí)候用的比較多，俗稱三極管。它連上電阻、電源、電容，本身就具有放大信號(hào)的作用。像堆積木一樣，可以用它構(gòu)成各種各樣的電路，比如開(kāi)關(guān)、電壓/電流源電路、上面提到的邏輯門(mén)電路、濾波器、比較器、加法器甚至積分器等等。由BJT構(gòu)建的電路我們稱為T(mén)TL(Transistor-TransistorLogic)電路。BJT的電路符號(hào)長(zhǎng)這個(gè)樣子：

圖3 BJT電路符號(hào)

但是后來(lái)金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)的出現(xiàn)，以優(yōu)良的電學(xué)特性、超低的功耗橫掃IC領(lǐng)域。除了模擬電路中BJT還有身影外，基本上現(xiàn)在的集成電路都是由MOS管組成的了。同樣的，由它也可以搭起來(lái)成千上萬(wàn)種電路。而且它本身也可以經(jīng)過(guò)適當(dāng)連接用來(lái)作電阻、電容等基本電路元件。MOSFET的電路符號(hào)如下：

圖4 MOSFET電路符號(hào)

宗上所述，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，芯片的制造，實(shí)際上就是成千上萬(wàn)個(gè)晶體管的制造過(guò)程。只不過(guò)現(xiàn)實(shí)中制造芯片的層級(jí)順序正好反過(guò)來(lái)了，是從最底層的晶體管開(kāi)始一層層向上搭建。

也就是說(shuō)，按照“晶體管-》芯片-》電路板”的順序，我們最終可以得到電子產(chǎn)品的核心部件——電路板。

2.芯片組

芯片組(Chipset)是主板的核心組成部分，按照在主板上的排列位置的不同，通常分為北橋芯片和南橋芯片。北橋芯片提供對(duì)CPU的類型和主頻、內(nèi)存的類型和最大容量、ISA/PCI/AGP插槽、ECC糾錯(cuò)等支持。南橋芯片則提供對(duì)KBC(鍵盤(pán)控制器)、RTC(實(shí)時(shí)時(shí)鐘控制器)、USB(通用串行總線)、Ultra DMA/33(66)EIDE數(shù)據(jù)傳輸方式和ACPI(高級(jí)能源管理)等的支持。其中北橋芯片起著主導(dǎo)性的作用，也稱為主橋(Host Bridge)。

芯片組的識(shí)別也非常容易，以Intel 440BX芯片組為例，它的北橋芯片是Intel 82443BX芯片，通常在主板上靠近CPU插槽的位置，由于芯片的發(fā)熱量較高，在這塊芯片上裝有散熱片。南橋芯片在靠近ISA和PCI槽的位置，芯片的名稱為Intel 82371EB。其他芯片組的排列位置基本相同。對(duì)于不同的芯片組，在性能上的表現(xiàn)也存在差距。

圖5 芯片組

本文介紹了芯片、芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及芯片組。芯片已經(jīng)變得無(wú)處不在，計(jì)算機(jī)、手機(jī)和其他數(shù)字電器成為社會(huì)結(jié)構(gòu)不可缺少的一部分。這是因?yàn)椋F(xiàn)代計(jì)算、交流、制造和交通系統(tǒng)，包括互聯(lián)網(wǎng)，全都依賴于集成電路的存在。IC的成熟將會(huì)帶來(lái)科技的大躍進(jìn)，不論是在設(shè)計(jì)的技術(shù)上，或是半導(dǎo)體的工藝突破，兩者都是息息相關(guān)。