芯片的组成?

芯片的组成?,第1张

芯片在电子学中是一种将电路(主要包括半导体设备,也包括被动组件等)小型化或微型化的方式,时常制造在半导体晶圆表面上。从结构上看,芯片由大规模集成电路、阻容元件、保护电路、稳压电路、封装材料等组成。

CPU又称中央处理器,作为计算机系统的运算和控制核心,是半导体产业技术最密集、最具战略价值的产品,是一个国家技术势力的象征。

目前CPU的市场基本被美国的两大公司垄断,分别是大哥Intel和小弟AMD,两家几乎占领了99%的市场份额。

目前Intel和AMD以X86指令集和微软共同建立了庞大的生态系统并且不对外开放,这样一来,中国队想要自己做CPU的空间不多了。

01 CPU定义

CPU在半导体行业中是人们常接触到的一种芯片,最常见的应用就是在电脑中,其中有名的有Intel的 i9-11980HK 和AMD的 R7-5800X

按照CPU种类来分类,可以分为服务器CPU、家用电脑CPU、嵌入式设备CPU和手机CPU,服务器CPU需要更出色的性能、稳定性和安全性,要求服务器365天开机运行,连续工作,一个服务器可以安装多个CPU;而家用电脑CPU性能要求相对较低,容量较小,不要求连续工作,一个电脑只能安装一个CPU;嵌入式设备和手机对CPU的性能要求相对更低。

按照CPU指令集架构来分类,CPU可以分为RISC和CISC。

CISC 即复杂指令系统计算机,物如其名,CISC是比较复杂的,指令系统比较丰富,有特定的指令来完成对应的功能,可以处理特殊任务。

RISC及精简指令集计算机,把精力集中在经常使用的指令上,对不常用的功能,通过组合指令来完成,实现简单高效的特点,一次RISC不能处理特殊任务。通俗来说就是经常用的功能简单化,不经常用的功能复杂化。

这其中CISC代表的指令集有X86,RISC代表的指令集有ARM、MIPS、RISC-V、Alpha、SPARS,除了这两种之外,还有我国自主研发的指令集DEC和LoongArch。

02 六大国产CPU

首先我们来了解一下什么是CPU的生态环境, CPU的生态环境就是一块CPU推出后,系统和软件对它的支持和优化有多少, 比如国产CPU龙芯就没有一个好的生态,不论是采用MIPS还是自主研发的LoongArch都不能支持Windows系统。

自主建立生态环境又难于上青天,而生态如果没有建立,软件商店就不会有软件(比如QQ在Linux中停更),这也是国产CPU发展最大的瓶颈之一。

目前国内有六大CPU设计厂商,他们是华为、飞腾、兆芯、申威、龙芯、海光(均未上市),他们分别以不同的方式参与CPU的设计。

CPU国产替代的故事得从Intel开始。

Intel趁着PC的东风迅速发展,建立了X86架构,标识了一套通用计算机指令集合,并且与微软一起在X86指令集上建立了庞大的生态。

目前的X86指令集不对外授权,只被英特尔和AMD所掌握,而X86又是PC、服务器领域做得最好的,别的指令集的生态环境远远抵不过X86,留给中国队的发展空间实属有限。

中国队CPU分为3个路线。

其一是由 龙芯 和 申威 代表的:自研指令集

龙芯最初采用的是MIPS精简指令集,制作通用CPU,主要产品是自主可控消费类例如服务器、台式机、嵌入式、航天器等领域。

申威最初采用的是Alpha精简指令集,主要应用在超级计算机和军事领域。

龙芯和申威都因为生态的原因,很难发展起来,尤其是龙芯,想要打入服务器和台式机市场必须有很好的生态。

龙芯因为MIPS的分崩离析,开始发展自己的指令集—— LoongArch ,它是完全有龙芯自主研发,可以兼容MIPS生态, 并且开始尝试用二进制翻译兼容ARM、X86处理器,龙芯的目标是在2025年消除指令集之间的壁垒,彻底搞定兼容问题。

申威也因为Alpha被收购,开始发展自主研发的指令集—— SW64 ,它是由Alpha改进而来,申威制作的神威·太湖之光超级计算机便采用SW64指令集,被称为“国之重器”,在国际上都有一定的地位,多项指标全球第一。

第二路线是由 华为 和 飞腾 代表的:ARM指令集授权

华为芯片“四大天王”麒麟、鲲鹏、巴龙、升腾中,除了巴龙以外,均采用ARM指令集授权来开发。这其中最著名的就是“麒麟”了,在手机领域一度领先,直至海外因畏惧华为的崛起,开始了制裁华为事件,就此“麒麟”短暂隐身。

飞腾也是国内目前使用ARM架构制作CPU的厂商之一,其技术不弱于高通,目前公司也被美国列入黑名单,其芯片制造环节同样被卡脖子,可能成为第二个华为。

除了华为和飞腾以外,国内以ARM架构制作芯片的厂商还有很多,例如贵州华芯通、展讯通信等。

第三路线是由 兆芯 和 海光 代表的:合资获取X86授权

兆芯的X86架构授权是源自于VIA公司将部分X86处理器相关技术、资料等IP产权以1.18亿美元价格卖给兆芯。兆芯基于X86的生态和技术,性能方面普遍高于龙芯,但还是不能和英特尔比肩。

海光的X86架构授权是通过和AMD合资公司来拥有AMD授权IP,但并不是完整的技术转让,而是阉割后的残缺版,所以性能上面和AMD锐龙、高通骁龙差一个档次。

03 RISC-V

RISC-V近些年流行的新型指令集,它是一种开源式指令集,对使用者免费开放,也是这种特性使它被众多专家认为是中国处理器产业的一次机会,而且可能是最后一次机会。

目前全球CPU的市场格局是以X86架构垄断PC、服务器行业;ARM架构垄断移动设备行业,这两家几乎涵盖了所有CPU市场需求。

X86架构归“Wintel”(英特尔+微软)所属,是一种封闭指令集,不对外授权, 简单说就是谁也别想用,就我自己能用 ;ARM架构属于可授权指令集+可授权设计, 简单说就是你用需要经过我同意并且收费,你想再它基础上设计还得再经过我同意并且再收费。

正因为如此,RISC-V作为开放式指令集,被中国队大力支持,看作救命稻草。

那RISC-V究竟有没有那么好呢?我们主要得看两方面: 一个是它的生态好不好,生态是决定指令集发展空间的最大因素;另一个就是它到底是不是彻头彻尾的免费,日后会不会再被卡脖子。

第一,RISC-V的生态怎么样。

RISC-V具有性能高、功率低、面积小、易于扩展等技术特点,最重要的是它的开源、免费的独特属性,为其带来众多合作商,影响力逐步扩大。

从2015年组织RISC-V基金会成立是的25个成员,到现在已经有超过300多个单位的加入,其中包括阿里、谷歌、华为、英伟达、高通、中科院、麻省理工等等。

日前,有知情人士表明,英特尔将以20亿美元收购RISC-V领域的重量级公司SiFive,这也表明了英特尔的态度。

虽然英特尔靠X86架构在PC、服务器领域无人能敌,但是移动设备一直是他的心病,ARM在移动设备领域是他无法抗衡的,而RISC-V的出现,给了机会。

但是看好归看好,ARM的垄断地位依旧很难撼动,RISC-V后续可能与X86联手对抗ARM,但更大的可能是打入嵌入式设备市场中,做物联网领域的“一哥”。

总体来说,不论是PC、服务器,还是移动设备,都很难被RISC-V介入,相反一些嵌入式设备比如空调、冰箱、扫地机器人、电动车等等发展环境更好。

第二,RISC-V是否永远免费。

RISC-V源于2010年,加州大学伯克利分校的一个研究团队研发,当时他们因为市场已存在的指令集相当复杂,且成本和门槛太高,所以建立了新的指令集。

“开源架构RISC-V将永久免费,成为人类共有财产。相较于X86和ARM架构的高门槛,开源架构RISC-V将带来芯片设计的革命”——RISC-V架构开发者之一Krste Asanovic博士。

这是RISC-V架构开发者的原话,表明该指令集是完全开源免费的,到目前为止他们也很好的履行了,甚至把基金会总部搬离美国,迁移至瑞士(永久中立国)以防止美国地方政策的限制。

尽管RISC-V从表现来看做得很优秀,但抽丝剥茧,终究还是有隐患在的。

实现RISC-V指令级架构的处理器内核有很多个不同的微架构实现,而微架构实际的模式是分不同类型的,其中有开放的、需授权的以及封闭的。

虽然基于RISC-V开发CPU不需要支付授权费用,但如果直接用RISC-V内核设计,也是需要支付授权费的。通俗来说就是你用我不需要收费,但是想在它的基础上设计得经过我同意,甚至收费(我们目前是全免费,但我有权利在以后收些钱)。

总结来说,目前全球的指令集呈现以X86、ARM、RISC-V三足鼎立的局势,RISC-V作为新时代的弄潮儿得到了各大厂商的认可,有发展的空间,但它不足以撼动其他两个指令集的地位,不过可以预料到的是,等RISC-V成长起来,仍然有可能对我国CPU发展卡脖子,我们需要保持隐患意识,在跟随洋人步伐的同时,发展自身CPU业务。

纵观国内厂商在电脑CPU领域,龙芯以自研为主,开发属于中国的指令集,目前已经可以满足一些党政领域以及机密工作的需求,但打入家用电脑领域仍需要提升CPU的生态和性能;服务器CPU中,申威在超算上小有成绩;华为近期也有消息称完成40nm去美化工作线投产,在明年更将攻破20nm的工作线,麒麟可能会重新归来;一些未上市公司如芯来 科技 、平头哥等也有在尝试RISC-V领域。

种种迹象都在证明,虽然我们起步慢了30年之久,但国产CPU一直在突破,路途艰辛却一路披荆斩,长夜漫漫,但黎明终将到来。

全文由各种资料查证,如有专业领域上的错误,希望可以抛砖引玉,有所探讨。

芯片全产业链图(绿底已经写完)

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芯片分为设计与制造两个环节

晶圆(wafer),相当于芯片的“地基”,提到晶圆一般会提到尺寸如8寸或12寸,尺寸是硅晶圆的单位

单晶(monocrystalline)具有原子一个个紧密排列的特性,可以形成平整的原子表层,使用单晶做晶圆,可以使后续添加的原则和基板结合更固定

IC芯片3D剖面图

底部是晶圆,红色(一楼)相对其他层较复杂,是IC中最重要的部分,多种逻辑闸组合一起

黄色(一般楼层),需要多层是因为单次无法容纳所有电路,所以需要堆叠

上面介绍IC的构造,这部分看如何只做

IC芯片的外壳,芯片尺寸微小,需要一个大尺寸的外壳做保护和安装

intel、高通、博通、英伟达、美满、赛灵思、Altera、联发科、海思、展讯、华大半导体等

中芯科技、三星、SK海力士、华润微电子、华虹宏力、英特尔、台积电、华力微电子、西安微电子、和舰科技、联电、力晶等

安靠、长安科技、通富微电、日月光、力成、南茂等

原文:

终于有人讲透了芯片设计流程!(电子人必读) - 百度文库 (baidu.com)


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