对芯片分类的探讨

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2023-02-16 06:34:18 718

多个角度看芯片的分类

1、按照不同的处理信号分类

按照不同的处理信号分类，芯片可以分为：数字芯片、模拟芯片和数模混合芯片。数字芯片用于产生、放大和处理各种数字信号。模拟芯片用于产生、放大和处理各种模拟信号。

模拟信号是指随着时间连续变化的信号，如正弦波电压信号、摄相机摄下的图像、录音机录下的声音、车间控制室所记录的压力、转速、湿度等。数字信号是指在时间上和数量上都不连续变化的信号，也可理解成离散的信号，如矩形电压信号、十字路口的交通信号灯、数字式电子仪表、自动生产线上产品数量的统计等。

数字芯片包括各类通用处理器、存储器、微控制器（MCU）等，生活中各类电子产品中控制器、移动硬盘等核心部件，以及实验室的检测设备如数字示波器、数字信号发生器中，都需要数字芯片。模拟芯片包括模数转换芯片（ADC）、运算放大器、线性稳压器、基准电压源等。数模混合芯片则包括数模转换器、基带芯片、接口芯片等。

数字芯片、模拟芯片和数模混合芯片具体包括以下类型：

（1）数字芯片

数字芯片的分类

? 通用处理器：通用处理器是由大量的逻辑电路组成的，它包含了控制、存储、运算、输入输出等部分，形成了一个完整的数据和信息处理系统，被称为电子产品和信息系统的大脑和中枢。常见的通用处理器包括中央处理器（CPU）、图像处理器（GPU）、数字信号处理器（DSP）、加速处理器（APU）等。CPU用于管理、调度和控制电子产品和信息系统各组成部分协调高效工作；GPU、DSP、APU接受CPU管理，但可以独立完成其特有的功能，例如图像显示、图形处理、数据和信息的处理等。

Intel酷睿i7CPU芯片

? 存储器：存储器是用于存储数据和信息的芯片。包含静态存储器（SRAM）、动态存储器（DRAM）、只读存储器（ROM）、闪存（Flash）等。SRAM与DRAM称为易失性存储器，SRAM用于电子产品中存储数据，在通电过程保持数据不变，断电后数据丢失；DRAM在通电过程中通过定时刷新保持数据不变，断电后数据丢失。ROM和Flash称为非易失性存储器，ROM一旦写入数据后，不论通电与否都不会丢失；Flash在通电过程中保持数据不变，断电也不丢失。

? 单片系统（SoC）：单片系统就是把一个电子系统全部集成到一颗芯片中。只要给SoC芯片加上电源和少量外部电路，就可以实现一个完整的电子产品或系统的功能。例如音视频播放器（MP4）、汽车导航仪等都可以用一个SoC芯片加少量外部元器件来实现。

华为海思的5G手机SoC芯片-麒麟9000

（图源：华为海思官网）

? 微控制器（MCU）：微控制器是简化版的CPU，通常也称为单片机，是一个完整的微型计算机，只需要供电或加上极少的外围电路即可工作。常见的MCU有MCS-51系列、STM32系列、STC系列等。从阳台定时浇花器、电饭锅、电冰箱等的控制，到仪器、仪表、工业自动化生产线等的控制，再到高铁、飞机等的系统控制，MCU都是重要的组成部分。

STM32系列MCU

? 可编程逻辑器件（PLD）：上述芯片都属于固定逻辑电路的芯片，它们从代工厂生产出来后，功能就被固定下来，不能再进行任何大的改变。PLD由工厂生产出来后，其功能还没有确定，需要设计人员按需求进行编程后，芯片才能表现出想要的功能。因此，PLD芯片也称为半定制芯片。常见的现场可编程门阵列（FPGA）和复杂可编程逻辑器件（CPLD）都属于PLD。与中、小规模逻辑集成器件相比，PLD在原型系统开发、集成度、功耗和系统可靠性等方面有显著的优势。但是对于规模更大、更复杂的教字系统，CPLD和FPGA设计实现大型数字系统已成为普遍应用的方法。了解更多FPGA基础知识，详见FPGA芯片知多少。

（2）模拟芯片

模拟芯片的分类

分立器件和模组(二极管、三极管、MOSFET、IGBT等)：这些器件和模组也是采用集成电路平面工艺制作而成，虽然封装成器件和模组的形式，外观不像一般的芯片，但它们也属于集成电路的范畴。

场效应管主要有两种类型，分别是结型场效应管（JFET）和绝缘栅场效应管（MOS管）。MOS管即MOSFET，是绝缘栅场效应管，可分为N沟耗尽型和增强型、P沟耗尽型和增强型四大类。MOSFET用于开关电源、镇流器、高频感应加热、高频逆变焊接机、通讯电源等高频电源。

IGBT是绝缘栅双极型晶体管，是由晶体三极管和MOS管组成的复合型半导体器件。IGBT作为新型电子半导体器件，具有输入阻抗高、电压控制功耗低、控制电路简单、耐高压、承受电流大等特性。在焊接、逆变器、电镀电源、超音频感应加热等领域有着广泛的应用。

? 电源电路：用于把200V、50Hz的交流电转换成不同输出电压和电流的直流电，作为各种电子产品和系统的电源。

? 信号检测电路：用于检测微弱的电信号，经过滤波、放大等多种前端处理后，变成便于处理的大信号或者数字信号。

? 滤波器芯片：在日常手机通话时，有无数条不同频道的电磁波在运动着，而使我们同频聊天不受其它电磁波干扰的芯片，就是滤波器芯片。滤波电路用于信号的提取、变换或抗干扰。它是一种选频电路，可以使信号中特定的频率成分通过，同时极大地衰减其他频率成分。

? 信号发生器：信号发生器芯片用于产生正弦波、矩形波、三角波、锯齿波等。它主要包括各种函数信号发生器、特殊频率、波形和脉冲信号发生器等。

? 放大器：放大器芯片用于对信号的电压、电流或功率进行放大，有着很大的信号覆盖能力，能大力增强信号。主要包括前置放大器、运算放大器和功率放大器等十多种放大器芯片。

? 射频芯片：指的是将无线电信号通信转换成一定的无线电信号波形, 并通过天线谐振发送出去的电子元器件。射频芯片种类很多，包括射频前端和射频后端，其中射频后端主要就是基带芯片。而射频前端则主要包括:射频天线、射频开关、功率放大器（PA）、低噪放大器（LNA）、滤波器等。

（3）数模混合芯片

数模混合芯片的分类

? 数模转换器芯片：包括A/D转换器芯片和D/A转换器芯片。模数转换器即A/D转换器，或简称ADC，A代表模拟量，D代表数字量，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。数模转换器，又称D/A转换器，简称DAC，它是把数字量转变成模拟的器件。

? 光电转换电路：光电转换芯片是实现光通信和光电系统不可或缺的芯片种类。包括光电耦合器件、光电探测器二极管、光敏三极管、光敏电阻器等。

? 基带芯片：用来合成即将发射的基带信号，或对接收到的基带信号进行解码。手机基带芯片主要由微处理器、信道编码器、数字信号处理器、调制解调器和接口模块组成。

? 调制解调芯片：调制解调芯片是实现调制、解调功能的芯片。调制是把变化着的基带信号转成对应变化着的载波的幅度（调幅）、频率（调频）或相位（调相）等模拟量。解调是把变化着的载波的幅度（调幅）、频率（调频）或相位（调相）等模拟量转成对应变化着的基带信号。调制解调芯片在无线电收发报机、无线广播电视、无线通信、宽带网络和光纤网络等方面广泛应用。

? 接口芯片：接口芯片相当于人的“四肢”，同样可以用于传递信息和数据。常见的接口芯片包括通用串行总线芯片（USB）、高清多媒体接口芯片（HDMI）。USB是一个外部总线标准，是应用在PC和手机领域的一种接口技术，例如电脑的USB插口、手机的USB充电线。HDMI是一种全数字化视频和声音发送接口，可以发送未压缩的音频及视频信号。例如笔记本电脑、电视、机顶盒就有HDMI接口。

? 传感器：传感器用来测量和感知现实*中的各种物理量，例如磁力、运动、压力、温度、湿度、图像、声音等。主要包括CMOS图像传感器（CIS）、微机电系统（MEMS）、触摸/触控芯片（Touch）等。CIS是将光学图像转换成电子信号的电子设备，相当于人的视网膜，其在手机、相机乃至卫星的拍摄成像中必不可少。MEMS是按功能要求在芯片上把微电路和微机械集成于一体的系统，例如手机中的磁传感器、指纹传感器、环境传感器等。Touch对环境变化具有灵敏的自动识别和跟踪功能，我们日常使用的手机和平板电脑就内含触控芯片。

2、按照功能分类

按照常见的使用功能分类，芯片可以分为：处理器芯片、存储器、传感器、电源管理芯片、通信芯片、接口芯片、专用集成电路（ASIC）。

按照功能划分芯片

其中，处理器芯片、存储器、传感器、通信芯片和接口芯片都在上文中介绍过，此处不再赘述。

电源管理芯片是电子设备系统中承担电能检测、分配、转换等电源管理职责的芯片，主要负责识别CPU的电源幅值，促进后期电路的功率输出，是所有电子设备中不可缺少的装置。常见的电源管理芯片主要包括低压差线性稳压器（LDO）、DC/AC转换器芯片、电池管理芯片、驱动芯片、开关电源控制芯片。LDO是输入/输出压差低的线性调整器，在限定电源和供电能力下提供稳定的输出电压；驱动芯片主要是通过电压、电流等信号的调整来驱动电子器件正常运行以及运行控制，包括LED驱动、LCD驱动、电机驱动等；开关电源控制芯片中应用的电力电子器件主要为二极管、IGBT和MOSFET。

专用集成电路（ASIC）：ASIC被认为是一种为专门目的而设计的集成电路，是指应特定用户要求和特定电子系统的需要而设计、制造的芯片，也称全定制芯片。例如二代身份证里的芯片，一证对应着一人。

3、按照工艺制程分类

按照工艺制程分类，芯片可以分为：5nm芯片、7nm芯片、14nm芯片、28nm芯片……芯片的纳米数是制造芯片的制程，其实就是指CMOS器件的栅长，或指晶体管电路的特征尺寸，距离越小就能在同等大小的面积上集成更多的晶体管，芯片就能做得越复杂，越先进性能越好，功耗越低。

以手机芯片为例，电流从源极（Source）流入漏极（Drain），栅极（Gate）相当于闸门，主要负责控制两端源极和漏极的通断。而栅极的最小宽度（栅长）就是工艺制程。手机芯片的工艺制程越小，栅极宽度就越小，意味着闸门通道越小，单位面积所容纳的晶体管就会越多，芯片就越先进，性能就越强。

4、按照半导体材料类型分类

集成电路芯片常用的半导体材料是硅。随着半导体技术的提升，寻找新的半导体材料，成了一个重要方向。半导体材料目前已经发展至第三代。

*代半导体材料：硅（Si）和锗（Ge）。

硅（Si）：是目前应用最广泛的半导体材料，常见的用硅制成的芯片有CPU、GPU、存储芯片等。

锗（Ge）：是早期晶体管的材料，活跃在光纤、太阳能电池等领域。

第二代半导体材料：第二代半导体材料与*代有本质的不同，*代半导体的硅和锗属于单质半导体，也就是由单一物质构成。而第二代属于化合物半导体材料，由两种或两种以上元素合成而来，适用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料，广泛应用于卫星通讯、移动通讯、光通信、GPS导航等领域。第二代半导体材料常见的是砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）。

第三代半导体材料：第三代半导体同样属于化合物半导体材料，具有更宽的禁带宽度、更高的导热率、更高的抗辐射能力等特性，更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率电子器件。第三代半导体材料常见的是碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）。目前，5G基站、新能源汽车和快充等都是第三代半导体的重要应用领域。

虽然这几代半导体材料听起来像是迭代的产品，但其实它们并不是替代关系，它们的特性不同，应用的场景也不一样。

三代半导体材料对比表

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智能手机中芯片的“门派”

智能手机中集成了大大小小上百颗芯片，这些芯片协同工作，才能带来非凡的使用体验。例如，手机屏幕显示各种颜色需要屏幕驱动芯片，发出声音需要音频处理芯片，存储照片需要存储芯片，指纹识别需要指纹识别芯片，手机电池需要电源管理芯片等。智能手机的芯片可以分为以下类型：

手机芯片的分类

最重要的手机芯片是应用处理器（AP），是手机里的最强大脑和神经中枢，AP是在低功耗的中央处理器（CPU）的基础上扩展音视频功能的专用接口的超大规模集成电路。每年新手机发布时，厂商宣传的高性能芯片就是AP，例如华为的麒麟系列、苹果公司的A系列、三星的Exynos系列等。

不同功能的实现对处理器性能的要求也不一样。因此，手机中还会有一些单独设计的协处理器，协助AP完成*的手机功能，例如图像处理芯片（GPU）、音频处理芯片等。

手机的核心功能是通信，离不开射频芯片和基带芯片。射频芯片负责射频收发、频率合成和功能放大；基带芯片负责信号处理和协议处理。基带芯片可以合成即将发射的基带信号，并且解码接收到的基带信号。发射基带信号时，把音频信号编译成基带码；接收信号时，把基带码译码为音频信号。射频芯片将信号放大，通过手机天线，就可以将信号发射到空中，再通过通信网络传输给对方。5G手机与4G手机的最大区别，在于是否支持5G网络。而5G网络的支持与否，主要由手机的基带芯片决定。基带芯片是用来合成即将发射的基带信号，或对接收到的基带信号进行解码的芯片，有点像手机的“网卡”、“猫（调制解调器）”。

手机的存储空间与存储芯片紧密相连。一般而言，我们常说的8GB+128GB，前者8GB指的是运行内存（RAM），是手机在运行的软件和系统占用的内存，它的作用就是让手机可以同时运行多个App，保障足够的运行内存，也是保障手机运行程序流畅的基础。RAM的作用，可以概括成一句话：RAM越大，可同时运行的程序就越多，一些需要大量存储空间的游戏也越流畅。同等CPU配置的情况下，RAM越大手机运行就越流畅。后者128GB一般是指存储内存（ROM），其作用和电脑上的硬盘类似，用来存储手机运行时的缓存和用户存储的数据，它决定了手机能储存多少照片和视频，下载多少游戏。

除上述芯片之外，负责各种具体功能的芯片则分布在手机内的各个角落。例如电源管理芯片、屏幕触摸控制器、无线充电控制器等芯片。可以说，手机内部结构非常复杂，就像一座小型的城市，各种芯片各司其职，共同支撑起手机功能的实现，才有了如今通信、工作、娱乐各项全能的智能手机。

智能汽车中的芯片类别

在汽车的胎压监测系统TMPS、摄像头、整车控制器、自动驾驶域控制器等模块，各种芯片是必不可少的。

汽车芯片可大致分为三大类：“微控制单元（MCU）”、“功率半导体”和“传感器”。

汽车芯片的分类

MCU是微控制单元，主要是指处理器和控制器芯片。它在一颗芯片上集成了计算核心、存储核心和对接接口等模块，小到车窗升降，大到驾驶辅助都需要用到MCU。汽车内部包含电子控制系统、信息娱乐系统、动力总成系统、车辆运动系统等，这些系统下面又存在着众多子功能项，每个子功能项背后都有一个控制器，控制器内部会有一颗MCU。目前*的“自动驾驶系统”也离不开MCU。

汽车功率半导体主要用于汽车动力控制系统、照明系统、燃油喷射、底盘安全系统等，主要负责功率转换，多用于电源和接口。例如电动汽车用的IGBT功率芯片，以及场效晶体管MOSFET等。其中，功率半导体在传统燃油车中一般用于启动和发电等模块；新能源汽车需要大量的功率半导体才能实现车辆电压的频繁变化。所以在新能源汽车中功率半导体是用量最多的器件。

汽车传感器是汽车计算机系统的输入装置，其功能是将车速、各种介质的温度、发动机的工作状态等信息转化为电信号输给计算机，以便汽车处于最佳工作状态。汽车传感器常见类型有：发动机转速传感器、胎压传感器、水温传感器、车速传感器等。