芯片到底是什么？

光灿

如今芯片话题引起热议，这主要还是源于我国芯片被卡脖子，所以许多人知道这个事情，但是对于芯片究竟是什么，以及为什么被卡脖子，我国的出路在哪里等等，我们有许多的疑问，也需要进行学习，我将写几篇文章，重点讨论下芯片技术这个东西。
既然是讲芯片技术，那在最开始，就要弄清楚什么是芯片？
1.芯片的本质是半导体+集成电路

首先，咱们来认识一下芯片。我在下面给你放了一张芯片的照片，这么一个小薄片就是芯片，上面排布了许许多多的晶体管。


它可能跟你在新闻里看到的芯片不太一样，这是因为芯片很脆弱，需要通过一个叫“封装”的制作步骤，装到一个外壳里保护起来。
我再给你看一张图。这样封装好的小黑片，是不是更符合你对芯片的印象呢？


你要是把芯片翻过来，在背面会看到密密麻麻的金属引线，少则十几根、几十根，多则几百根。这些引线的作用，就是要把芯片电路和外界电路连接起来。
它可以类比一下家里的电视机：电视需要两根线才能工作，一根是电源线，给电视机的电路和屏幕供电，另一根是信号线，把机顶盒的数字信号传给电视机显示出来。芯片的引线也可以分成这两类，一部分是负责供电，包括地线和电源线，另一部分负责输入、输出信号。
这就是一个真实芯片的样子。为什么会管这个东西叫“芯片”呢？“片”就是它的形状，而 “芯”是说这个东西是电子设备的心脏、大脑、中枢，所以管它叫芯片。
但正是因为这个名字，可能让很多人对芯片有误解，认为只有像电脑里CPU那种才是芯片。其实，CPU属于逻辑芯片，可以做逻辑控制，有运算功能。但芯片还有很多其他种类，比如像5G、Wi-Fi、蓝牙这种通信芯片，还有像内存、U盘里的存储芯片，还包括手机里陀螺仪那种传感芯片等等。
这些芯片工作的原理和电路结构都不一样，可是都属于芯片。这就有个问题了，芯片的本质是什么呢？
过去国家要发展半导体产业，半导体是芯片吗？现在国家加大科技攻关力度，聚焦集成电路、人工智能等等领域，这个集成电路是不是也是芯片？这几个概念经常混着使用，那到底什么是芯片的本质呢？
现在我给你一个公式，就是半导体+集成电路，合起来才叫芯片。
2.只有半导体才能“用电控制电”

首先，为什么得是半导体呢？
一句话概括，在半导体之前，人类只能用机械控制电。但是有了半导体之后，人类才可以直接用电来控制电，控制能力强了很多。
像机械时代的那些齿轮、杠杆，我就不说了。人类发明电以后，就进入了电气时代。一个标志就是电报的发明，人们终于可以快速把信息传出去了。
可就算传递信息靠的是电，但发电报用的也是滴滴滴哒哒哒的机械开关，来控制电流的导通和断开。人们后来还发明了继电器装置，甚至发明了继电器组成的计算机，但这些东西跟今天的芯片都差得太远。
打个比方，你可能见过这种大桥，因为有轮船会经过，这座桥需要能从中间打开，船通过之后再合上。打开的时候，要过桥的汽车，不管你开多快，都得在桥下等半天，效率没法提高。
你想要是有一个魔法，轮船来了，一下子让大桥消失，船快点过，通过之后一下子又把大桥给变回来，这是不是就比机械的开合要快多了？在电子器件里，半导体就能实现这个魔法。
芯片里的晶体管的结构很像是两个挨得很近的“地铁站”建在半导体里 面，“地铁站”里有很多电子，两座地铁站上面有一个控制“按钮”，叫作栅极。当我们给栅极加一个电压，就会在两座地铁站之间形成一个通道，电子就可以通过，电压消失，通道也跟着消失。


但像刚才我们讲的不管是电报还是继电器，都只能用机械开关来控制电的通断，因为连接器件的是电线，是导体，怎么才能让电线断开呢？必须要有物理的隔离。
直到20世纪初，量子力学的发展让人类发现了半导体这种关键材料。只是靠施加电压的变化，就能实现它在导体和绝缘体之间的切换，这才把人类从电气时代带进了电子时代。
通过半导体，我们终于实现了用电这个高级物理形式来控制电这个高级的能量形式，处理信息的能力大大提升了。
所以，芯片首先必须得是半导体材料，这个本质也是芯片开启信息时代的根本原因。
3.复杂功能还原到最底层都能用0和1解决

那只有半导体材料就够了吗？不行，还必须得是集成电路。
因为要想实现功能，光有一个晶体管还不够，必须得把很多晶体管连成电路才行。
在早期，人们用半导体材料做出一个个的开关器件，把这些器件就像现在的灯泡一样，一个个连到电路里来实现功能。可这里的问题是，我们需要大量的器件才能实现复杂的功能，但一个个独立器件组成的系统很难缩小。
集成电路技术的发明人之一Robert Noyce说起他发明集成电路技术的初衷，就是觉得手工把元器件一个个的焊到一起真是太麻烦了。你要知道，当时他焊的电路也就几百个元件。现在的电路动不动可就是几亿、几十亿个器件，除了集成电路的形式，还真就没别的好办法。
我们怎么实现集成电路呢？
原本我们是组装单独的器件焊起来，现在就像是微雕，在一个非常小的东西上，直接刻画出这些线路。这个非常小的东西就是半导体衬底，刻刀就是你最近常听到的光刻机。只不过这把刀不是金属，而是激光做的，非常非常细。
有了集成电路之后，我们就可以把器件做得非常小了，而且还能不断做得更小，现在已经刻出纳米尺寸的开关来了，可以在一块一厘米见方的芯片里，集成100多亿个晶体管，它的复杂程度真的远远超你的想象。
说到这里，你可能还有一个问题，为什么一堆开关连接到一块，就能实现计算、存储这些功能呢？这里面有很复杂的科学理论，但在这里，我告诉你一个简单的道理，那就是所有复杂的运算，都能还原成最基本的0和1。
比如说，走迷宫看起来应该是个挺复杂、挺智能的事吧？但你把这事还原下去，其实就是在每个岔口做的选择题，要么走左边，要么走右边。左边对应0，右边对应1，左右分别对应开和关。迷宫的走法对应着软件的算法，其实靠着一堆开关连接起来就能完成运算了。
不光是走迷宫，就算今天很流行的人工智能美颜，甚至是下围棋的AlphaGo这样的复杂系统，还原到最底层，其实也是由大量晶体管组成的CPU、GPU，再组成计算机主机，再连接起来构成超级大脑。总之，计算机里任何你觉得很智能的事，最底层都可以用0和1来完成。
当然想要完成复杂的功能，就需要更多的晶体管才行。这就是为什么我们一定要用集成电路，就是想在更小的面积上，集成更多的晶体管。
到这里小结一下，芯片的本质就是半导体集成电路，就是用简单的晶体管开关构成了一个复杂系统。也就是这个芯片，创造了今天的数字世界，让人类进入到一半物质世界一半数字世界的新时代。
4.芯片是物质世界与数字世界的接口

不过，关于芯片的重要性，还有一点值得讲讲。虽说芯片构建了数字世界的基础，但物质世界跟数字世界可并不是天然连通的，中间有一道隐形的墙。
要想让信息在这两个世界之间流动起来，接口在哪呢？这个接口还是芯片。
过去，我们只能用实物来计算实物，比如说大家都夸曹冲聪明，因为他发现给大象称重不好办，所以就把这个问题变成了称石头，这就好称了。
这个看起来很聪明的转换，其实完成的也只是从物质到物质的映射。大象重量的传输和计算都只能在物质世界里完成，你要想称两头大象总重量，就得称两堆石头。
但是有了芯片，这个问题就简单多了。今天要称一个大货车的重量，不用映射到石头了。只要把这辆车开到高速公路收费站，就会经过一个电子地磅，这里面的芯片能感知压力，货车重量直接变成了一个数字，这个过程就把物质世界直接映射到了数字世界里。
在数字世界里，货车重量可以被快速传播、快速计算、长久存储。公路管理部门可以拿这些数据去做超重监控，统计每年公路运输总量。商务部门能得知这个地区商贸、物流的信息。
这些信息经过芯片处理，人类原本在物质世界里做的一切，几乎都可以在数字世界完成了。比如在购物网站买一包饼干，几天后快递送上门。这包饼干从出库、运输直到你手里的这个过程，都是靠数字世界的信息来控制的。
所以说芯片是物质世界和数字世界的接口。而且今天芯片能处理的不只是重量，今天物质世界里几乎所有的物理量“力热声光电”，都能通过芯片映射到数字世界里。
比如电水壶里的温度芯片，就能把热这个物理量变成电信号，就能控温了；汽车轮胎的胎压传感器芯片，能把压力转变成电信号，就能保障行车安全，等等。甚至现在正在探索的脑机接口，通过把神经信号转化成电信号，让大脑的思想也能进入数字世界。
芯片的接口功能越来越强，这也是今天，数据量猛增，数据变得特别重要的原因。
听到这里，你也就明白了，芯片是数字世界的基石，更是物质世界与数字世界的唯一接口，芯片技术决定了我们信息技术的水平。
我们是进入数字世界的第一代人类，就像马斯克移民火星是为了开拓新的物质世界一样，我们也要在数字世界里开疆拓土，芯片就是我们的飞船、锄头、枪炮。今天，谁控制了芯片，就控制了我们和数字世界的一切连接。
5.本篇总结

总结一下这一篇，芯片的本质就是半导体集成电路。
有了芯片，我们可以直接通过操控电子来处理信息，创建了一个庞大的数字世界。今天每个人都处于半物质半数字的状况中，芯片就是数字世界的基石，更是数字世界与物质世界的唯一接口。
在这里，给你留一道思考题：你认为还有哪些你和外界的交互过程不能被芯片取代呢？欢迎在评论区，与我分享你的思考。
下一篇，我们来说说为什么人类最终选择了芯片技术，我们下一篇见。
希望多多点赞评论支持哦～给我点继续更新干货的动力嘻嘻
<hr/>划重点：

1 芯片的本质是在半导体衬底上制作能实现一系列特定功能的集成电路。
2 在发现半导体之前，人类只能用机械控制电，而半导体却能直接“用电来控制电”。
3 计算机里任何复杂功能，还原到最底层都能用0和1解决。
4 芯片是物质世界与数字世界的唯一接口，芯片技术决定了我们信息技术的水平。

青水浮萍

圆柱形超溥阴阳芯片

鸭梨山大滴

萦绕在心头的问题已很久很久被你这篇生动的文章解开了(例如芯片底层工作逻辑，晶体管等)。感谢科技大神，感恩知乎。点

蒋卓群

谢谢大佬[赞同]，作为小白我看懂了70%，已经很够了

古玩玉器

谢谢

荷土唐玥色

谢谢大佬，真的是讲的深入浅出哇

超无可超

虽然我没看懂 但是感觉很厉害[思考]

叮当小仙女

感谢知乎大神的科普，让我对芯片有了略知一二。

飞跃海轮

感谢！但也内疚过了这么久才有机会接触到对人类生活密不可分的技术。

丨怕瓦落地丨

求分享为什么底层逻辑都是1和0