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    • 發(fā)布時間:2024-09-26 14:27:21
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    芯片是什么,芯片內部結構和芯片組成介紹
    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。
    芯片是什么 芯片內部結構 芯片組成
    圖1 芯片
    1.芯片內部結構
    1.1系統(tǒng)級
    以手機為例,整個手機是一個復雜的電路系統(tǒng),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(tǒng)級。(當然,隨著技術的發(fā)展,將一整個系統(tǒng)做在一個芯片上的技術也已經出現(xiàn)多年——SoC技術)
    1.2模塊級
    在整個系統(tǒng)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(fā)聲,有的負責統(tǒng)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(shù)人類智慧的結晶。
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    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(tǒng)較大比例的數(shù)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(tǒng)籌安排。時鐘信號是一個周期穩(wěn)定的矩形波?,F(xiàn)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(shù)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:
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    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(xiàn),以優(yōu)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(xiàn)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:
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    圖4 MOSFET電路符號
    宗上所述,在實際工業(yè)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(xiàn)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(shù)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(fā)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(xiàn)也存在差距。
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    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(shù)字電器成為社會結構不可缺少的一部分。這是因為,現(xiàn)代計算、交流、制造和交通系統(tǒng),包括互聯(lián)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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