芯片是什么?芯片內部結構與芯片組介紹

我們通常所說的“芯片”指內含集成電路的硅片，體積很小，常常是計算機或其他電子設備的一部分。芯片(chip)或稱微電路(microcircuit)、微芯片(microchip)、集成電路(英語：integrated circuit, IC)，在電子學中是一種把電路(主要包括半導體設備，也包括被動組件等)小型化的方式，并通常制造在半導體晶圓表面上。前述將電路制造在半導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)是由獨立半導體設備和被動組件，集成到襯底或線路板所構成的小型化電路。

圖1 芯片

1.芯片內部結構

1.1系統級

以手機為例，整個手機是一個復雜的電路系統，它可以玩游戲、可以打電話、可以聽音樂等等，它的內部結構是由多個半導體芯片以及電阻、電感、電容相互連接組成的，稱為系統級。(當然，隨著技術的發展，將一整個系統做在一個芯片上的技術也已經出現多年——SoC技術)

1.2模塊級

在整個系統中分為很多功能模塊各司其職。有的管理電源，有的負責通信，有的負責顯示，有的負責發聲，有的負責統領全局的計算，等等。我們稱為模塊級。這里面每一個模塊都是一個宏大的領域，都聚集著無數人類智慧的結晶。

圖2 模塊級

1.3寄存器傳輸級(RTL)

每個模塊是以占整個系統較大比例的數字電路模塊(它專門負責進行邏輯運算，處理的電信號都是離散的0和1)為例。它是由寄存器和組合邏輯電路組成的。

寄存器是一個能夠暫時存儲邏輯值的電路結構，它需要一個時鐘信號來控制邏輯值存儲的時間長短。實際應用中，需要時鐘來衡量時間長短，電路中也需要時鐘信號來統籌安排。時鐘信號是一個周期穩定的矩形波。現實中秒鐘動一下是一個基本時間尺度，電路中矩形波震蕩一個周期是它們世界的一個時間尺度。電路元件們根據這個時間尺度相應地做出動作，履行義務。

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

一個復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。把這一層級叫做寄存器傳輸級。

1.4門級

寄存器傳輸級中的寄存器其實也是由與或非邏輯構成的，把它再細分為與、或、非邏輯，便到達了門級(它們就像一扇扇門一樣，阻擋/允許電信號的進出，因而得名)。

1.5晶體管級

無論是數字電路還是模擬電路，到最底層都是晶體管級了。所有的邏輯門(與、或、非、與非、或非、異或、同或等等)都是由一個個晶體管構成的。因此集成電路從宏觀到微觀，達到最底層，滿眼望去其實全是晶體管以及連接它們的導線。

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

圖3 BJT電路符號

但是后來金屬-氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)的出現，以優良的電學特性、超低的功耗橫掃IC領域。除了模擬電路中BJT還有身影外，基本上現在的集成電路都是由MOS管組成的了。同樣的，由它也可以搭起來成千上萬種電路。而且它本身也可以經過適當連接用來作電阻、電容等基本電路元件。MOSFET的電路符號如下：

圖4 MOSFET電路符號

宗上所述，在實際工業生產中，芯片的制造，實際上就是成千上萬個晶體管的制造過程。只不過現實中制造芯片的層級順序正好反過來了，是從最底層的晶體管開始一層層向上搭建。

也就是說，按照“晶體管-》芯片-》電路板”的順序，我們最終可以得到電子產品的核心部件——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CPU的類型和主頻、內存的類型和最大容量、ISA/PCI/AGP插槽、ECC糾錯等支持。南橋芯片則提供對KBC(鍵盤控制器)、RTC(實時時鐘控制器)、USB(通用串行總線)、Ultra DMA/33(66)EIDE數據傳輸方式和ACPI(高級能源管理)等的支持。其中北橋芯片起著主導性的作用，也稱為主橋(Host Bridge)。

芯片組的識別也非常容易，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。對于不同的芯片組，在性能上的表現也存在差距。

圖5 芯片組

本文介紹了芯片、芯片內部結構以及芯片組。芯片已經變得無處不在，計算機、手機和其他數字電器成為社會結構不可缺少的一部分。這是因為，現代計算、交流、制造和交通系統，包括互聯網，全都依賴于集成電路的存在。IC的成熟將會帶來科技的大躍進，不論是在設計的技術上，或是半導體的工藝突破，兩者都是息息相關。

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