什么是硅芯片?
主要由硅构成的集成电路被称为 硅芯片 。用于制造计算机芯片最常用的材料之一是 硅 。图片展示了一个包含多个硅芯片的硅晶片的示意图。
集成电路被称为硅芯片。它是每个计算设备的主要部分。顾名思义,硅是硅芯片的主要组成部分。硅是地球上第二最普遍的物质,仅次于氧气。硅因其半导体特性和全球易得性而备受青睐。它具有使其成为生产硅晶圆和芯片的理想原材料的特性,这些硅晶圆和芯片促进了我们使用的众多现代技术的生产。设备的大脑由硅芯片组成,控制其所有内部机制。硅芯片的几个例子是平板电脑、智能手机和笔记本电脑。
如何使用硅制造芯片的步骤:
制造厂通常被称为“fabs”。它们经常用于生产计算机芯片。它们由硅组成,硅是砂的典型化学成分。由于其作为半导体的特性,硅的电导率介于绝缘体(如玻璃)和金属(如铜)之间。
- 使用费舍尔法(Czochralski process)从原材料(主要是石英岩)中制造冶金级硅,通过电弧炉将硅转化为纯净的硅晶体。
- 将硅精馏,转化为液体,然后重新形成棒材,以帮助去除任何杂质。
- 将棒材或多晶硅切割成较小的片段,放入一个使用氩气的无空气特殊烤箱中。烤箱中的温度超过2500华氏度会导致片段融化。
将硅融化成块状时,在硅中放入一个小小的种子晶体,并在坩埚中旋转硅。
在仍然旋转和冷却的情况下,逐渐将种子从熔融硅中拉出,形成一个大晶体。通常它的重量超过几百磅。
接下来,使用X射线机检查巨大的硅晶体以确保其纯度。
如果晶体是纯的,将其制成晶圆,将晶圆切成小片。
每个切割的晶圆都经过抛光处理,以去除在切割过程中可能发生的任何污染物。
在进行所有抛光处理后,将晶圆放入一个设备中,该设备将电路设计蚀刻在硅上。通过称为光刻术的方法进行这些设计的蚀刻。
在使用光刻术时,首先用对紫外线光敏感的化学物质涂覆晶圆,当暴露在紫外线光下时,这些化学物质会变硬,然后使用紫外线光对晶圆进行芯片设计层的暴露。
处理后仍存在的光敏化学物质会被洗掉,只留下芯片图案。一旦化学物质被去除,可以将层状结构烘烤、离子化等方式进行处理。由于每个芯片设计中存在多个级别,因此需要重复光刻术操作,直到所有层都被创建。
最后将硅晶圆切割成独立的硅芯片。
硅芯片如何工作?
通过计算机芯片的电路部件发送电信号来使其工作。
1. 模拟集成电路:
在预定的一段时间内,模拟电路传递波动连续信号。输出信号是输入的线性函数,具有直接成比例的电压。操作放大器、电压调节器、比较器和定时器等是在这种设备中使用的集成电路的几个例子。模拟芯片被用于扫描发生器、振荡器、音频放大器和滤波器等设备中。
2. 数字集成电路:
使用数字电路传输二进制或中断信号。输出电压可以是高电平或低电平。高电压表示布尔值1,低电压表示值0。使用数字电路可以进行不同的逻辑操作,例如AND、OR和NAND。例如,逻辑OR操作是计算机加法操作的基础,等同于布尔加法。因此,所有计算活动的基础是数字集成电路。它们对于所有可编程设备、逻辑板、微控制器和存储器至关重要。
3. 混合信号集成电路:
混合芯片中可以找到模拟和数字芯片组件。通过混合设计,可以实现具有数字到模拟和模拟到数字转换能力的芯片。这一新一代集成电路是现代计算的另一个重要组成部分。
4. 量子电路:
计算进展正在向量子电路发展。量子电路是一种计算过程,它指定对底层量子比特(也称为量子位)进行一系列量子逻辑操作的类型。数字信号,如布尔信号,与量子比特(由量子粒子表示)不同。布尔信号仅有两种可能的状态:1或0,但量子比特可以具有多个状态的叠加。作为新兴技术的量子计算的基础是一种包含量子电路的芯片。
有哪些类型的计算机芯片?
根据其功能,计算机芯片分为四个主要组别。
1. 存储芯片:
计算机和存储设备将数据和程序存储在存储芯片中。虽然闪存驱动器和固态硬盘(SSD)可以永久存储数据,但RAM芯片只能提供短期存储。即使电流关闭,闪存存储单元仍可以继续保存数据。
2. 逻辑芯片:
逻辑或处理器芯片用于完成任务。它们是当前技术设备的“大脑”。 CPU是服务器和其他计算设备的微处理器中最常见的逻辑芯片。然而,逻辑芯片可以被制作成执行特定任务的芯片。考虑以下情况:
- 图形处理单元能够充分发挥视觉显示的潜力。
- 为深度学习和机器学习应用程序创建神经处理单元。
3. ASICs:
ASIC(特定应用集成电路)是为特定目的执行重复处理操作的芯片。这些现代芯片以大量量产,用于专用设备,如条码扫描仪。另一个例子是比特币挖掘,它使用ASIC执行需要创建新比特币的复杂数学运算。
4. SoCs:
一种更新的芯片类型被称为片上系统(SoC)。一块芯片包含了整个系统所需的所有电子部件。与微控制器功能相比,SoC更强大。CPU、内存和I/O处理通常合并在一个微控制器中。然而,图形、音频、摄像头和视频处理都可以集成到SoC中。