芯片是什么?芯片内部结构与芯片组介绍

我们通常所说的“芯片”指内含集成电路的硅片，体积很小，常常是计算机或其他电子设备的一部分。芯片(chip)或称微电路(microcircuit)、微芯片(microchip)、集成电路(英语：integrated circuit, IC)，在电子学中是一种把电路(主要包括半导体设备，也包括被动组件等)小型化的方式，并通常制造在半导体晶圆表面上。前述将电路制造在半导体芯片表面上的集成电路又称薄膜(thin-film)集成电路。另有一种厚膜(thick-film)混成集成电路(hybrid integrated circuit)是由独立半导体设备和被动组件，集成到衬底或线路板所构成的小型化电路。

图1 芯片

1.芯片内部结构

1.1系统级

以手机为例，整个手机是一个复杂的电路系统，它可以玩游戏、可以打电话、可以听音乐等等，它的内部结构是由多个半导体芯片以及电阻、电感、电容相互连接组成的，称为系统级。(当然，随着技术的发展，将一整个系统做在一个芯片上的技术也已经出现多年——SoC技术)

1.2模块级

在整个系统中分为很多功能模块各司其职。有的管理电源，有的负责通信，有的负责显示，有的负责发声，有的负责统领全局的计算，等等。我们称为模块级。这里面每一个模块都是一个宏大的领域，都聚集着无数人类智慧的结晶。

图2 模块级

1.3寄存器传输级(RTL)

每个模块是以占整个系统较大比例的数字电路模块(它专门负责进行逻辑运算，处理的电信号都是离散的0和1)为例。它是由寄存器和组合逻辑电路组成的。

寄存器是一个能够暂时存储逻辑值的电路结构，它需要一个时钟信号来控制逻辑值存储的时间长短。实际应用中，需要时钟来衡量时间长短，电路中也需要时钟信号来统筹安排。时钟信号是一个周期稳定的矩形波。现实中秒钟动一下是一个基本时间尺度，电路中矩形波震荡一个周期是它们世界的一个时间尺度。电路元件们根据这个时间尺度相应地做出动作，履行义务。

组合逻辑是由很多“与(AND)、或(OR)、非(NOT)”逻辑门构成的组合。

一个复杂的功能模块正是由这许许多多的寄存器和组合逻辑组成的。把这一层级叫做寄存器传输级。

1.4门级

寄存器传输级中的寄存器其实也是由与或非逻辑构成的，把它再细分为与、或、非逻辑，便到达了门级(它们就像一扇扇门一样，阻挡/允许电信号的进出，因而得名)。

1.5晶体管级

无论是数字电路还是模拟电路，到最底层都是晶体管级了。所有的逻辑门(与、或、非、与非、或非、异或、同或等等)都是由一个个晶体管构成的。因此集成电路从宏观到微观，达到最底层，满眼望去其实全是晶体管以及连接它们的导线。

双极性晶体管(BJT)在早期的时候用的比较多，俗称三极管。它连上电阻、电源、电容，本身就具有放大信号的作用。像堆积木一样，可以用它构成各种各样的电路，比如开关、电压/电流源电路、上面提到的逻辑门电路、滤波器、比较器、加法器甚至积分器等等。由BJT构建的电路我们称为TTL(Transistor-TransistorLogic)电路。BJT的电路符号长这个样子：

图3 BJT电路符号

但是后来金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的出现，以优良的电学特性、超低的功耗横扫IC领域。除了模拟电路中BJT还有身影外，基本上现在的集成电路都是由MOS管组成的了。同样的，由它也可以搭起来成千上万种电路。而且它本身也可以经过适当连接用来作电阻、电容等基本电路元件。MOSFET的电路符号如下：

图4 MOSFET电路符号

宗上所述，在实际工业生产中，芯片的制造，实际上就是成千上万个晶体管的制造过程。只不过现实中制造芯片的层级顺序正好反过来了，是从最底层的晶体管开始一层层向上搭建。

也就是说，按照“晶体管-》芯片-》电路板”的顺序，我们最终可以得到电子产品的核心部件——电路板。

2.芯片组

芯片组(Chipset)是主板的核心组成部分，按照在主板上的排列位置的不同，通常分为北桥芯片和南桥芯片。北桥芯片提供对CPU的类型和主频、内存的类型和最大容量、ISA/PCI/AGP插槽、ECC纠错等支持。南桥芯片则提供对KBC(键盘控制器)、RTC(实时时钟控制器)、USB(通用串行总线)、Ultra DMA/33(66)EIDE数据传输方式和ACPI(高级能源管理)等的支持。其中北桥芯片起着主导性的作用，也称为主桥(Host Bridge)。

芯片组的识别也非常容易，以Intel 440BX芯片组为例，它的北桥芯片是Intel 82443BX芯片，通常在主板上靠近CPU插槽的位置，由于芯片的发热量较高，在这块芯片上装有散热片。南桥芯片在靠近ISA和PCI槽的位置，芯片的名称为Intel 82371EB。其他芯片组的排列位置基本相同。对于不同的芯片组，在性能上的表现也存在差距。

图5 芯片组

本文介绍了芯片、芯片内部结构以及芯片组。芯片已经变得无处不在，计算机、手机和其他数字电器成为社会结构不可缺少的一部分。这是因为，现代计算、交流、制造和交通系统，包括互联网，全都依赖于集成电路的存在。IC的成熟将会带来科技的大跃进，不论是在设计的技术上，或是半导体的工艺突破，两者都是息息相关。

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