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极客时间专栏/说透芯片/芯片基础知识/01 | 核心概念：从晶体管到集成电路到摩尔定律.md Normal file
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<audio id="audio" title="01 | 核心概念：从晶体管到集成电路到摩尔定律" controls="" preload="none"><source id="mp3" src="https://static001.geekbang.org/resource/audio/bc/72/bc70e7c1f3762193e99c81f5a74e7172.mp3"></audio>
你好，我是邵巍。
在一开始做这门课程的时候，极客时间的编辑就问我，“邵老师啊，这芯片和半导体是不是一回事儿呢？怎么我有时候听人说芯片行业，有时候又听人说半导体行业，好像他们说的都是一回事？”
不知道你是不是也有这样的问题。其实啊，这问题很简单，芯片和半导体是同一个事物的两个名字，芯片是半导体产业的产品，半导体是用来做芯片的材料。这个行业，通俗一点，就叫芯片行业，学术一点就叫半导体行业，相当于土豆和马铃薯的区别。
半导体产业是电子产业的一个分支。如果你想入行，可以读电子工程系的微电子专业，或者集成电路专业，前者毕业可以从事芯片制造，后者毕业可以从事芯片设计。而如果你想入门，那我就凡尔赛一下，你听我的课就足够啦。
今天是咱们整个课程的第一讲，我们不急着发散到芯片的具体技术细节和行业趋势，转而，我想带着你从三个基础概念开始，咱们先把半导体产业发展的底层逻辑弄明白。 **这三个概念分别是晶体管、集成电路和摩尔定律。**
我们先从晶体管和集成电路这两个名词解释开始。注意，这可不是简单的两个名词，它们的背后可是两个诺贝尔物理学奖和整个行业发展史。
## 晶体管
想了解晶体管，你得先了解它的“前身”——电子管。电子管是中文翻译后的名称，英文原文其实是真空管。从这个名字，你可以想象，它其实是把参与工作的金属薄片，也就是电极，封装在一个真空的容器内，真空容器一般指的是玻璃瓶。
如下图所示，电子管长这个样子。它其实是爱迪生发明灯泡时的一个连带发现。<br>
<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/98/8d/9810b9754b7a80fdd69de38b42f6548d.png" alt=""><br>
整个电子行业，并不是从芯片开始的，而是从电子管开始。电子管最鼎盛时期的代表作，就是世界上的第一台电子计算机。这台1946年诞生的电子计算机，占地150平方米，重达30吨，里面的电路使用了**17468只电子管**、7200只电阻、10000只电容、50万条线。
这台计算机虽然运算速度不快，但基本具备了现代计算机的主要结构和功能，这也是电子管能达到的最高成就了。其实从上图你也可以看出来，电子管最大的缺点就是，真空容器对于电子产品来说体积太大了。
如果人类停留在电子管技术上，所用的电子设备，就会因为需要多个真空电子管而变得体积庞大，成本昂贵，还需要轻拿轻放。
人类的电子世界，需要另点新的科技树了。
这个时候，科学家们开始积极寻找可以取代电子管的固体元器件材料：一种合适的半导体。
什么是半导体呢？官方说法，半导体是指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的一类材料。简单地说，**导体导电，绝缘体不导电，而半导体，在不同电流控制下可以表现出不同的导电，或者不导电的特性，这个特征和真空电子管做电信号放大器的特性吻合，因此半导体可以被用来做固体电子元器件的材料**。
如果是学习微电子专业的大学生，应该有一门专业基础课叫《半导体物理》，基本上就是讲解半导体材料的结构、电学特性、光学特性等，然后利用这些特性做各种类型的半导体元器件，这是一本充满物理公式的、劝退式的教科书。
不过，这种物理原理就留给专业的人士研究吧。我们普通人，沿着技术发展的主干理解结果就好了。毕竟科学家、技术专家们的工作目的，就是让我们这种普通人也能方便地使用复杂高深的技术。
科学家们对半导体材料的研究结果就是，**半导体晶体管复刻了真空电子管的功能，可以全面地取而代之**。使用半导体材料制成的**晶体管，最大的优势就是可以不断缩小尺寸，** 这为电子设备的微型化提供了可能。
更小的体积、更快的速度、更可靠的稳定性，让半导体做的晶体管取代电子管成为了整个电子行业的基本元器件。这也是晶体管被称为是二十世纪最重要发明的原因。发明者肖克利、巴丁、布拉顿三人因此获得了1956年的诺贝尔物理学奖。
## 集成电路
有了晶体管，集成电路也就成为可能。
把多个晶体管和其它的电子元器件小型化，微型化集成在一起，以减少电器的大小，这个思路就是集成电路。关于两者的关系，你可以理解为，集成电路就是由大量晶体管搭建的。严谨一点说，集成电路的最小单元是逻辑门，逻辑门是由晶体管搭建而成。可以说，半导体行业，就是拿晶体管去堆集成电路的行业。
现代的集成电路是由德州仪器的工程师杰克·基尔比在1958年发明的，当时发明的是锗集成电路，他本人也因此荣获2000年诺贝尔物理学奖。这里我还想提一个人，Intel的第一任CEO罗伯特·诺伊斯，他后来发明了现在应用更广的硅集成电路，让集成电路真正进入了商用时代。可惜诺伊斯在1990年早逝，没有领到诺贝尔奖。
在点开晶体管、集成电路这个全新的科技树之后，半导体行业，就走上了**缩小晶体管体积-&gt;扩大集成电路规模-&gt;构建性能更强价格更优的电子设备-&gt;再次缩小晶体管体积-&gt;构建更大规模的集成电路支持更多功能-&gt; 构建新一代性能更强价格更优的电子设备**的高速路。
<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/78/53/78f17c8d10c273a13a0a8819a406c653.png" alt="">
对于集成电路的发展你可以看下图，在最初的20年，集成电路的规模迅速扩大，单个集成电路可以集成的晶体管数目从1个发展到上百万个，增长了10万倍，而且增长势头不减，超大规模集成电路、特大规模集成电路、巨大规模集成电路... ...形容词都不够用了。
<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/44/65/440eb17cd8a2519d2f884a7489927665.png" alt="">
后来，业界索性放弃用集成电路的规模来定义行业发展阶段，而改用晶体管的特征尺寸来标识。你现在听到手机芯片的28nm、20nm、14nm、10nm、7nm、5nm，这些数字都是晶圆工厂的制造工艺的名称，虽然并不直接代表晶体管的尺寸，但也是有所关联的。工艺制程的数字越小，意味着晶体管体积越小，这样单位面积可以集成的晶体管数目就越多，也就是所谓的晶体管密度高。
下图是用制造工艺名称来标识的半导体行业发展路线图。横坐标是时间轴，纵坐标是工艺制程。你可以看到从1987年到2019年，制造工艺从3微米发展到了5纳米。<br>
<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/2f/25/2fd7838c4727026f3970e8d8e46bc725.jpeg" alt=""><br>
你可能要问，这个制造工艺代表什么呢？我给你举个例子，对于iPhone12里用的应用处理器A14，我们一般都说是5nm的工艺。行内的人会留意到这是一个用台积电N5工艺生产的，面积为88mm² 的芯片。N5工艺指的就是台积电5nm工艺。
苹果披露A14应用处理器是一颗集成了118亿个晶体管的芯片。如果是关心制造工艺的人，就会算一下，台积电N5工艺，官方的晶体管密度是173 MTr/mm2，就是每平方毫米的面积上可以集成1.73亿个晶体管。那么苹果在88平方毫米的面积上集成了118亿个晶体管，是相当不错的数字了，算是非常高效地利用了最先进工艺带来的高密度。
当然，评价一颗芯片，不能这么简单地只看晶体管密度，至少还要看PPA衡量标准，也就是Power功耗、 Performance性能、Area面积，这是后话，在接下来的课程中我会再讲到。
到这里，你已经了解了，半导体的发展得益于晶体管和集成电路的发明，然后集成了芯片，半导体产业发展正式开始或者说拐点到来了。而接下来摩尔定律的提出，则是描绘了半导体产业发展的图景，成为产业发展的推动力。
## 摩尔定律
看到上面那张图的时候，或者你听到我说28nm、20nm、14nm、10nm、7nm、5nm 这组数字的时候，你心中或许有疑问，为什么选这些数字？有什么规律么？你问到重点了。基本上这是个相邻两个数字差0.7倍的数字序列，你看，10nmx0.7=7nm，7nmx0.7≈5nm，都是这样的规律。如果把晶体管的特征尺寸理解成正方形的边长，边长缩小0.7倍，0.7x0.7=0.49，那么一个正方形的面积就相当于小了一半。
这种相差0.7倍的数字序列，想表达的意思就是，在5nm制造工艺下，晶体管的体积应该是前一代7nm工艺的一半，换另一个数据来说就是晶体管密度可以高一倍。前面说台积电N5工艺的密度是173MTr/mm2，N7是96.5MTr/mm2。如果再加上时间轴的描述，你会发现台积电在2018年开始量产N7工艺的芯片，2020开始量产N5工艺的芯片，两年工艺一更新。到这里，恭喜你，你已经自行发现了半导体行业的黄金定律：摩尔定律。
摩尔定律是由英特尔公司联合创始人戈登·摩尔提出的概念，定律本身很简单：**半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每隔24月增加一倍。** 从上面的推导过程，你可以知道，是晶体管的特征尺寸每代缩小0.7倍，因此单位面积可以集成的晶体管密度可以提高一倍。你可以在行业里的每一条产品线，每一个公司的发展历史，每一次技术革新背后看到摩尔定律的影子。
这里澄清一下，摩尔1965年初次发表的时候，说的是每年增加一倍，后来1975年正式发布论文的时候，修正为每两年增加一倍。也有行业内的人，重新估算过，18个月翻倍更准确一点。
写到这里，你可能要说了，定律清晰，数字清晰，但是它的意义是什么呢？多一倍的晶体管密度，意味着什么？对于普通大众来说，其实你应该能感知到电子产品性能和价格的改变：微处理器的性能每隔2年提高一倍，或价格下降一半。延展到具体设备层面，就是相同价格所买的电脑，性能每隔2年增加了一倍，或者旧电脑型号，每隔两年价格减半。
为此，Intel公司还给了一个生动的例子：1978年从纽约飞巴黎需要7个小时，花费900美金。如果航空公司同样遵循摩尔定律发展的话，当大家选择机票价格不变，飞机的飞行性能每隔两年提高一倍，那么到2005年就会只需要1秒钟。或者如果大家选择飞机性能不变，即飞行时间仍然是7个小时，而机票价格每隔2年下降一半，那么到2005年，机票就只需1美分。
这样你对摩尔定律下的科技发展速度有概念了吗？
其实我们买的电脑，或者手机，基本上是价格不变，但是性能每隔2年会增加一倍。只是电脑或者手机性能的提升，没有飞机的飞行时间那么直观罢了。
到这里，我想告诉你，摩尔定律，它不是一个物理定律或者自然界的规律，换句话说，它不是一定会实现的。它是一个关于人类创造力的定律，是具有**经济学基础的对未来的一个预测**。企业按照摩尔定律，提升制造工艺，缩减晶体管尺寸，生产出性能加倍或者价格减半的产品，市场要给予正向的经济回报，让企业有足够的利润投入下一个阶段的研发生产中。这个循环要正向运转起来，才有摩尔定律。
但是很有意思的是，从1975年提出摩尔定律之后，半导体行业基本完美地自证了这个定律。你可以看上面那张用制造工艺名称来标识的半导体行业发展路线图，每2年都有一代新工艺出现，晶体管的面积尺寸每2年都在缩小一半。
再看看下面这张业界著名的摩尔定律图，这张图里横坐标是时间轴，纵坐标是一个实际的芯片产品所集成的晶体管数目，这意味着不仅仅技术上可以制造出密度翻倍的芯片，而且半导体公司能充分使用多出的晶体管，来设计出性能更高功能更强的芯片，并实现其经济价值。
<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/8b/d3/8b77a6bb66bd145421a4d72b43760fd3.png" alt="">
某种程度上，你可以用摩尔定律当尺子丈量半导体行业内的技术进步、产品迭代、公司发展。跟上摩尔定律的，就可以打一个“good”的标签，落后于摩尔定律的，可以给一个“？”，超越摩尔定律的，可以打一个“行业赢家”或者“very good”的标签。
例如台积电一年一次工艺提升的稳定输出，苹果每年一代新的芯片，这些就是“good”的公司。
而以英伟达Nvidia为首的AI公司，提供的算力以2年10倍的超摩尔速度增长，可以说“very good”。还有一些公司，开始说“摩尔定律在变慢”，因为它们5年才出一代新工艺，属于自己掉队，然后还想通过改规则，掩耳盗铃。嘻嘻，我就不提名字了。
上面我也说了，摩尔定律它不是一个自然规律，而是人类创造力的定律，因此如果我们对自己有信心的话，给摩尔定律续命的方式多得是。例如，在设计和制造两个环节已经被充分挖掘了之后，一直被认为是技术门槛较低的封装环节，也开始技术创新加速。2.5D、3D等异构封装技术遍地开花。
IT行业总体来说是一个高速发展的行业，在这个行业中，是摩尔定律推动着我们马不停蹄地前进，不进则退。
## 总结
学习完这一讲，对于晶体管、集成电路和摩尔定律对半导体产业的意义你有概念了吗？晶体管和集成电路的出现开启了半导体产业的发展，而摩尔定律则推动着这个行业不断向前。
我们再来复习几个重点，希望你能记住，也能给别人讲一讲这些概念：
1. 电子管开创了电子时代，人类的第一台计算机是拿电子管搭建的。半导体晶体管，复刻了电子管的所有功能，但是点开了“可以持续缩小体积”的科技树，即集成电路。
1. 晶体管，集成电路，这是半导体行业的两个基础发明，有两项诺贝尔奖加持。
1. 摩尔定律的背后推手是晶体管尺寸的不断缩小，因此单位面积可以集成的晶体管数目在不断增多。摩尔定律对电子行业的影响就是微处理器的性能每隔2年提高一倍，或价格下降一半，再向设备侧延展，就是相同价格所买的电脑，性能每隔2年增加一倍。
## 思考题
如果你时间OK的话，可以在评论区给我留言，谈谈你对摩尔定律的理解。比如知乎上就有人说，摩尔定律其实只是一种宣传手段，它是过去几十年间半导体行业内达成共识的一个很好的“噱头”。你认同这种说法吗？你有自己的认知吗？欢迎交流。

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极客时间专栏/说透芯片/芯片基础知识/02 | 从一部iPhone手机看芯片的分类.md Normal file
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<audio id="audio" title="02 | 从一部iPhone手机看芯片的分类" controls="" preload="none"><source id="mp3" src="https://static001.geekbang.org/resource/audio/6f/6c/6fe05562c5339307900c49d789dc596c.mp3"></audio>
你好，我是邵巍。在上一讲中，我给你介绍了三个半导体行业的基本概念，让你知道晶体管和集成电路是支撑半导体行业发展的两个基础发明，摩尔定律是丈量行业进步的重要尺子。
这一讲，我想和你聊聊半导体，也就是芯片的分类，来看看芯片可不只是你脑袋里想象的小硅片，它的类型非常多。
在正式开始这一讲之前，我想要问你个问题，“你知道芯片和集成电路是什么关系吗？有人说，芯片和集成电路就是一回事，只是两个不同的名字罢了，你认同吗？”
这个问题很重要，我建议你先停下来花一分钟想想你的答案。
过去几年里，总是会有同事、朋友问我这个问题。不信你随便一搜，网上怎么说的都有。放心，今天，我给你的答案，绝对是最准确和客观的。
首先，我可以负责任地告诉你，**芯片肯定不全是集成电路**。芯片里面，大约只有80%属于集成电路，其余的都是光电器件、传感器和分立器件，行业内把这些器件称为O-S-D（Optoelectronic, Sensor, Discrete）。
集成电路你已经学过了，它是由大量晶体管组成的。那光电器件、传感器、分立器件又是什么呢？一下子整出来这么多概念，是不是很晕。
哈哈，别急，下面会讲到。做这节课的时候，编辑就和我说了，老师，咱们可别孤零零地讲概念，用户没办法记住。我们讨论之后，决定拿你最熟悉的手机来举例子，以帮助你建立直观的认识。
所以，今天这节课，我会通过“拆解”一部你熟悉的iPhone手机，来和你聊聊芯片的分类。学完这节课，你就可以对半导体行业的主要产品品类有基本概念，同时也会对一部iPhone都用了哪些芯片产品有一个初步的印象。
为了方便你理解，我按照半导体行业的专业分类方式，做了下面这张行业分类图。图里的数据都来自半导体行业权威的市场研究机构IC Insights的最新市场统计。能把这张图和别人讲清楚，我觉得你至少是一个半导体行业初级市场研究人员的水平了。
<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/be/50/be159461be7c0a5569be21b30a24db50.png" alt="">
有这张图还不够，我另外整理了一张iPhone X物料表，在正中间那一列，我标明了每个物料所属的半导体种类。而且这张表的顺序，跟前面的分类图，基本上可以一一对应起来。考虑到公开信息的准确性，这张表我参考了知名市场研究机构IHS Markit的iPhone X拆解报告。
表格的第二列，也就是功能描述部分，我对部件做了解释，你一定要花2分钟时间整体对照理解下。
<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/8b/0c/8bbc7b771359dfc07c81ca2a064cb30c.jpg" alt=""><br>
对照完两张图，从宏观看，有两个信息你需要关注：
- 第一，一部手机80%都是集成电路。所以，苹果是半导体产品全球排名第一的买家，这个就不难理解了吧？
- 第二，一部iPhone几乎把前面分类图中的重要品类都用到了。你看，手机一点都不简单吧？
现在，有了一张半导体产品分类图，一张充满半导体元器件的物料表，下面我们就顺着这两个线索，逐一地讲解一部iPhone X所用到的半导体产品。
## iPhone X手机处理器：A11
我不知道你还记得吗？2017年秋天苹果发布iPhone X的时候，亮点之一就是这款手机搭载了6核心64位的A11处理器。当时，苹果公司高级副总裁评价说，这是一款智能手机到目前为止所能拥有的最强劲、最智能的芯片。
<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/a4/6b/a487e74c49037bc7cdaec19eb00a526b.png" alt="">
上面这张图是iPhone X的主板，顾名思义，就是有主处理器的板子。在主板上，带着苹果Logo的那个部件就是苹果自研的应用处理器A11。它在分类之中，属于集成电路IC-&gt;数字IC-&gt;逻辑IC-&gt;处理器-&gt;应用处理器。
这里注意，我们在说应用处理器的时候，也常用它的英文缩写AP（Application Processor）。
在物料成本表里，你可以看到，因为是苹果自己开发，找台积电代工，成本只有27美金。那如果不找台积电代工，而是全部采用高通旗舰芯片的话，同等性能配置下，成本大约都在80美金以上。算一算，苹果一年卖2亿部手机，一部手机省50美金，一年就能省100亿美金。
这么一算，你应该能明白苹果为啥要自己设计手机AP了吧？
从技术上，再看一下A11这颗处理器的细节，它集成了6颗ARMv8的CPU核，2大4小；3颗GPU核，一个神经网络处理器NPU用来加速人工智能算法，一个（照相机）图像信号处理器ISP。这是一颗高度集成的SoC (系统级芯片，System-on-Chip)。
高度集成也是手机芯片的特点，像在PC或者服务器上，CPU、GPU、NPU往往是三颗独立的芯片。对于iPhone手机来说，整个iOS系统都是跑在应用处理器上的，可以说手机中最重要的一颗芯片就是应用处理器了，系统是否顺滑，游戏是否顺畅，全看应用处理器的芯片。这也是苹果、华为、三星都要自研应用处理器的原因。
## iPhone X的两大存储芯片
在A11下面其实还压着一个存储芯片DRAM（动态随机存取存储器，Dynamic Random Access Memory）。存储芯片，顾名思义，就是存储数据的芯片，也叫存储器。手机中的全部信息，包括输入的原始数据、应用程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。除此之外，iPhone X还有一块重要的存储芯片，就是在下图中最大的一块芯片，东芝的NAND Flash。
DRAM和NAND Flash的区别很好理解，我类比下。在PC机上，我们俗称的内存条，其实就是DRAM，固态硬盘（SSD）就是NAND Flash。
<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/1c/62/1c245e9835d771deda060991fbb4e562.png" alt="">
在分类之中，属于集成电路IC-&gt;数字IC-&gt;存储IC-&gt;DRAM &amp; NAND Flash。
存储的分类，如果按技术类型，我可以给你列一个长长的单子。但是，我们可以偷巧地只看用量最大的两个主要品类DRAM和NAND Flash。那些技术名词留给行业人员自己battle用吧。
为什么只看DRAM和NAND Flash就可以？再回到第一张分类图，我们可以看到从存储芯片的产值构成来看，DRAM 约占这个存储芯片市场的 53%，NAND Flash 占比 45%，NOR Flash与其余占比约2%，完全可以忽略。
DRAM存取速度快，因此手机运行时的数据，都存放在DRAM中，方便应用处理器随时存取。这也是iPhone X的应用处理器和DRAM紧密贴在一起的缘故。而在最新一代的苹果应用处理器中，采取先进封装技术，干脆把DRAM和AP封装在一起，更加紧密了。
NAND Flash存储容量较大，而且掉电之后数据也不丢失。因此手机里的照片、记事本，都装在NAND Flash里。iPhone X配的是4GB DRAM、64G/256G NAND Flash。
介绍完iPhone X的应用处理器和存储芯片，再回去看一眼第一张分类图，你会发现，你已经大概理解其中占比70%的数字集成电路了。在开始讲剩下的30%之前，我想从专业的视角，把数字IC、各类处理器和存储芯片等相关概念再解释一下，以帮助你更好的理解。
### 数字IC
集成电路的英文是Integrated Circuit，数字IC就是数字集成电路。回到专业视角，如果从用途上分类，数字集成电路可以简洁地分为，做计算控制的逻辑芯片和保存数据的存储芯片。不过业界习惯，把标准程度非常高的CPU、GPU、MCU合并为MPU微处理器来单独统计，把应用相关度高的ASIC（下文会解释）和SoC算作逻辑芯片。
### CPU：计算设备的运算核心和控制核心
CPU（Central Processing Unit）是计算设备的运算核心和控制核心。它的功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。CPU的标准性很高，是最能体现摩尔定律的产品。
苹果的手机应用处理器，永远使用的是最顶级的工艺。iPhone X的A11，在2017年上市的时候，就用了当时最先进的10nm工艺。到了2020年，苹果的应用处理器都已经用上5nm的工艺制程，桌面和服务器端才跟进到了7nm。
### GPU：图形处理器
GPU（Graphics Processing Unit）也叫图形处理器，主要用来满足图像计算要求。相对来说CPU擅长逻辑判断和串行数据运算，而一个图片的每一个像素都需要相同的计算处理，GPU就擅长图形计算这种并行的任务。因为GPU这种并行度高的特征，在品类上还衍生出弱化图像能力，专注于计算的通用GPU。一般来说，通用GPU的数据处理性能是CPU的10倍、20倍，甚至更高。
作为加速器存在的GPU，比CPU还要激进。摩尔定律中处理器性能每隔两年翻1倍，而英伟达的CEO，Jason Huang，归纳说GPU将推动AI性能实现每年翻1倍，这个规律还被业界称为黄氏定律。
### ASIC：为解决特定应用问题而定制设计的集成电路
为解决特定应用问题而定制设计的集成电路，就是ASIC（Application Specific IC）。当ASIC规模够大，逐渐通用起来，某类ASIC就会有一个专有名称，成为一个品类。例如现在用来解决人工智能问题的神经网络处理器。
标准的CPU芯片，往往要配上不同的外围芯片，比如Intel管理外设的芯片组Chipset，加速图形的GPU，这样才能构成系统。而随着工艺制程的不断演进，我们有能力把越来越多的外围芯片集成进CPU芯片中，于是就有了SoC。SoC因其高集成度、高效率的特点，是目前IC设计的主流。SoC也算是ASIC的一种。
相较于我们常见的CPU、GPU等通用型芯片，ASIC 芯片的计算能力和计算效率都可以根据特定的需要进行定制，定制么，肯定体积小、功耗低、计算效率高，在这些方面有优势。但是缺点就是入门门槛高，这里的门槛，包括资金、技术，还有时间。
### 存储芯片：DRAM和NAND Flash
前面有介绍，数字IC中2/3是逻辑芯片，1/3就是存储芯片。存储芯片就两个主要品类DRAM和NAND Flash，占了98%的比例，其余可以忽略不计。
存储芯片在设计方面跟前面的CPU、GPU、ASIC这类逻辑芯片有很大不同。CPU、GPU、ASIC重在功能设计、逻辑设计。而存储芯片的设计比较简单，基本都是重复单元，但是对时序和布局布线有挑战性。
好了，专业概念到这里就告一段落，让我们再回到iPhone X的物料表，讲一讲剩下30%的事情。存储芯片之后我列了三行模拟芯片，有射频芯片、电源芯片。那么为什么它们会被归类到模拟芯片，什么是模拟芯片呢？
## iPhone X中的模拟IC
上面我提到数字IC的时候没有展开讲概念，这里你可以跟模拟IC对比来看：处理数字信号的就是数字IC，处理模拟信号的就是模拟IC。它们两个是相对的。其实如果要逻辑严密，集成电路的分类应该还列上数模混合IC共三种，而实际上你可以理解为，以数字电路为主的归类到数字IC，以模拟电路为主的归类到模拟IC，两大类方便你记忆。
数字IC基本上是一个追逐摩尔定律的品类，尽量采用最新工艺，利用新工艺制程带来的晶体管密度的提升，来提高性能同时降低成本。
相对来说，模拟IC则更多的追求电路速度、分辨率、功耗等参数方面的提升，强调的是高信噪比、低失真、低耗电和高稳定性，因而产品一旦达到设计目标就具备长久的生命力，生命周期可长达 10 年以上。行业里有“一年数字，十年模拟”的说法。
那么，数字信号和模拟信号又是什么？
简单来说，0和1，就是数字信号。而声音、光、气压、无线电信号（Radio Frequency，也被翻译成射频，射频信号），这些现实中的信号，基本上都是连续的信号，而不是简单的用“有-1”，“无-0”来表示，它们都是模拟信号。
数字IC这块，你好歹在日常中有见过、听过，甚至买过。而对于模拟IC，你可能就不熟悉了。但手机其实就是一个大量使用模拟IC的电子设备。如果按照整个半导体行业的出货量来看，模拟IC的数量是超过数字IC的，但是单价不高，因此在销售收入上占比也不高。
看下图，Quadplexer 四路复用器芯片，实现手机芯片频段载波聚合功能，载波聚合，是一种增加传输带宽的手段，把几个分散的频段通道整合成为一个更宽的数据通道；RF Switch射频开关芯片，处理无线信号通道转换；NFC芯片，用来处理近距无线通讯信号的；Wireless Charging芯片，这个你熟悉，支持无线充电；还有Audio Amp 音频放大器芯片等等，这些就都是在iPhone X中的模拟IC。
<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/50/df/5017e673eac0c5e0c32b86cd81ba84df.png" alt="">
总的来说，射频器件、电源管理装置和数模/模数转换器是模拟IC的三大主要产品。
- **射频器件**是处理无线电信号的核心器件，包括5G信号、蓝牙、WIFI、NFC等，凡是需要无线连接的地方必备射频器件，手机是射频器件的一个重要应用场景。
- 任何电子设备都需要**电源管理装置**。电源管理芯片的任务就是完成电能的变换、分配、检测及其它电能管理。电源管理芯片占模拟芯片销售份额接近三成。射频芯片和电源管理芯片在手机里非常重要，你可以对着物料表，找一找。
- **模数和数模转换器**是模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路。A/D 是模拟量到数字量的转换， D/A 是数字量到模拟量的转换，它们的道理是完全一样的，只是转换方向不同。例如我们要播放一首歌曲，歌曲是以数字形式存储的，手机经过一系列的数模转换，把数字信号变成连续的声音信号，通过麦克风播放出来，这就是一个DAC(Digital to Aanalog Controller,数模转换器) 数模转换过程。
<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/97/27/976c44674994cf99a357804bdbd7ee27.png" alt="">
一个小知识点，模拟IC的设计涉及了更加复杂的信号环节，并且其设计的自动化程度远不及数字IC，通常需要大量的人工干预决定取舍。相对于数字IC，模拟IC的设计对工程师的经验，权衡矛盾等方面的能力要求更为严格。所以，模拟IC设计被称为一门艺术。
好，到这里，你已经了解了集成电路的分类，包括数字IC和模拟IC，关于半导体80%的内容我就讲完了。剩下的近20%就是我们开头提过的O-S-D器件。
## iPhone X的光电器件、传感器和分立器件
回顾一下，在开篇我就介绍了，半导体产品超过80%是集成电路芯片，其余的是光电器件、分立器件和传感器，行业内称为O-S-D。
集成电路，就是数字IC和模拟IC。用一个手机来理解，数字IC就是手机处理器，模拟IC就处理那些射频信号的芯片。那么光电器件、传感器、分立器件又是什么呢？
- iPhone X用的三星产的AMOLED手机屏，就是光电器件。
- 手机里的6轴加速器/陀螺仪、电子罗盘、颜色传感器、气压传感器等都属于传感器。
- 分立器件，其实就是单独包装的晶体管。多个晶体管集成起来，就是集成电路，而仍然单独封装的晶体管，就是分立器件。我看过一份资料，在2004年，手机上有300多个分立器件，现在么，这个确切的数字已经查不到了，能集成在一起的都尽量集成起来了。
到这里我用一部iPhone X举例，把半导体产业的几大产品品类：CPU、GPU、ASIC、SoC， DRAM、NAND Flash、射频IC、电源IC、数模/模数转换IC，以及光电器件、传感器等，串讲了一下，希望你对整个行业能有个初步的认识。
## 总结
学习完这一讲，我们来复习几个重点：
1. 在半导体行业中，超过80%的产品是集成电路芯片，因此我们在日常中常把芯片、半导体、集成电路三者混用。但其实，集成电路之外，半导体产品还有光电器件、传感器和分立器件，行业内称为O-S-D；
1. 集成电路芯片主要分为数字IC和模拟IC，数字IC强调运算速度，模拟IC强调高信噪比、低失真、低耗电和高稳定性，生命周期更长；论销售额，数字芯片有绝对优势，但是如果论出货量，模拟芯片量大过数字芯片。
1. 数字IC中主要就是CPU处理器和存储器。CPU是重中之重，行业明珠的地位。无论是Intel，还是苹果，都是靠CPU站在行业第一的位置的。
1. 一部iPhone手机，基本上用到了半导体产品的全部种类。一部小小的手机，是整个行业的缩影。选车要看发动机，我希望你在选择下一部手机的时候，也能看看它的芯片。
最后，我希望你能记住最开始的那张图，那是业内最权威的分类方式了，我为本次课程特别制作，独此一家，别无分店。
另外附上**TechInsights**的iPhone X拆解[原文链接](https://www.techinsights.com/blog/apple-iphone-x-teardown)。原文非常详尽，我的重点在于讲解半导体的分类。有所省略。
## 思考题
在手机行业中，有两个公司掌握了真实的每个手机厂商的出货数字，你能猜出来是哪两个公司么？欢迎你在评论区与我交流。如果你觉得这一讲不错的话，也欢迎分享给更多的朋友一起阅读。

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极客时间专栏/说透芯片/芯片基础知识/03 | 芯片设计：一颗芯片到底是如何诞生的(上).md Normal file
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<audio id="audio" title="03 | 芯片设计：一颗芯片到底是如何诞生的(上)" controls="" preload="none"><source id="mp3" src="https://static001.geekbang.org/resource/audio/12/6e/1270d4a772b0bcba40b4ba7ed964246e.mp3"></audio>
你好，我是邵巍。
上一讲我介绍了一下半导体产业都有什么样的产品，并且通过拆解一部iPhone，给你展示了一部手机都需要用到多少芯片。
那么这一讲我们来聊聊，一颗芯片，是如何诞生的呢？其实一颗芯片项目就是一个标准的产品项目，项目的起点是市场需求分析，接着是设计和制造，如果产品成功完成了商业落地，那么就可以开启下一代产品的迭代升级新周期了。
为了方便大家记忆理解，我做了一张完整的流程图。重点有市场需求分析、芯片设计、晶圆制造、封装测试这四个流程，最后，封装测试好的芯片成品会交给设备厂商，完成电子设备硬件的制造组装和软件安装。
你一定要记住这张图，基本上它对所有的电子设备，从指纹密码锁，到手机、PC、服务器，甚至超级计算机，都是适用的。
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因为这个流程比较长，我把它拆成了两部分，这一讲重点放在芯片的设计，下一讲我们再来看芯片的制造。
如果只看芯片设计，它主要包含需求分析、架构设计、逻辑设计、物理实现和验证等几个部分。
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如果说芯片项目和其他产品项目有什么不同，那就是芯片项目是人类历史上最细微也是最宏大的工程，研发投入大，项目收益高，**试错成本极高**。
以iPhone的A11应用处理器为例，这颗处理器包含43亿的晶体管，工程师们要在有限的项目时间内，实现手机应用处理器所需要完成的功能任务，还需要在88mm² 指甲盖大小的面积下放置下43亿晶体管和它们自己的连线，再要经过缜密的验证工程，以保证它在2亿台手机上都能正常工作2-3年。
有人说芯片是人类造物的巅峰之作，我是非常认可这种说法的。
像A11处理器这样一个项目，它的商业价值有多大呢？我来给你算算。苹果每年的手机销售约为2亿台，按照上一讲我提供给你的iPhone X物料表，A11价值27美金，乘以2亿台手机那就是总共价值54亿美金。
苹果的应用处理器是自己设计，委托台积电代工的。因此，27美金的标价，算是成本价格了。如果购买其它同类同性能的应用处理器，可能大约要80美金的单价，这样算下来，就是160亿美金的总价值。
让我再重复一下几个关键数字，2017年的发布的iPhone 8，采用的应用处理器A11，43亿晶体管，88mm² 指甲盖大小的面积，2亿手机销量，160亿美金的总价值。不知道你看到这组数据是什么感觉，我是被这组数据震撼到了。
接下来，我就以苹果公司为例，先讲讲苹果是怎么走上自制芯片的道路的，然后再给你逐步揭秘芯片的设计流程。
## 课前小故事：苹果的芯片设计路
2005年，苹果在开始计划iPhone之前的iPod产品时，当时是先买PortalPlayer公司的，后来采用三星的现成商业芯片搭建的。
商业芯片，英语有一个专门的词叫"off the shelf"，就是指从（超市）架子上拿下来就能用。现成的商业芯片的好处是方便易得，价格确定。不好的地方，就是挑一个100%满意的比较难。会遇到功能不完全匹配、性能有高有低、接口不够用、大厂价格贵，小厂可能供货不稳定等问题。
站在2005年的时间点，那时高通的手机应用处理器还没有GPU，德州仪器还在为如日中天的诺基亚服务，而且没有单片的方案，需要另配基带芯片。总之，那个时候没有完美选择。
因此苹果打算定制一款自用的芯片。我们现在知道，苹果曾经和Intel谈过定制芯片的想法，但是Intel拒绝了。于是苹果转向邀请当时为iPod供应芯片的三星为自己定制芯片。
本来在买商业现成芯片，和定制芯片或者自制芯片之间，还有FPGA一个选择。FPGA可以通过硬件编程语言，把芯片内的标准阵列器件重新组合，形成新的电路，完成类似定制芯片的功能，可以节省投片生产的开销和时间。
但是，代价就是单片的价格偏高，功耗偏高，因此FPGA在数据中心的应用较多，在手机终端领域极少。
苹果这种提供产品规格需求，由三星做设计服务和生产的这种模式，业内叫设计服务。而且委托设计服务的边界，非常灵活，苹果公司可以完全不参与设计只提产品规格要求，也可以自己完成部分设计，从一小部分到绝大部分都可以，其余再交给设计公司。
不过，这个过程其实也挺不容易，苹果在请三星设计过两代芯片之后，开始自建设计团队，最终决定自己来完成芯片设计环节。按照苹果架构师的回忆，三星实现了苹果要求的功能，但是最终的芯片并不是苹果想要的芯片。这种芯片规格书与芯片成品之间的差距，就是架构师要背的锅了。
小故事我先讲到这里，后面也就是苹果自己做设计的故事了。回到开篇说的芯片设计流程，我们来看看，要做芯片设计的话，芯片公司都会做哪些工作呢？
## 需求分析
其实可以想见当时一定是有多个芯片公司，发现了手机应用处理器这个真实需求。在芯片公司发现市场需求之后，通常会进行市场调查，总结出一个通用的市场需求清单出来。一般这个需求清单，会包括主要应用场景分析、软件栈、竞争分析、性能与定位、需求量与投资回报比分析、行规与标准，主要配套芯片的市场供应情况预测等多项内容。最终形成的就是一份市场需求文档。
每个公司的文档流程不一样，有的公司，在做市场需求文档之前，还要做商业需求文档，重点在于分析投入产出比。在市场需求文档之后，还要做深入的产品需求文档和细分的功能需求文档。
在需求分析之后，通常会有一个立项决策会议，由内部管理层决策是否进行此产品的开发。如果顺利通过立项决策，这个芯片项目就由市场部门，转交给研发部门。
像苹果A11这种项目，需求分析这一步，会集中在公司内部，为iPhone8服务。而如果是高通，联发科这种商业芯片公司，往往会征求主要客户的反馈，和手机厂商们对齐需求。
## 架构设计
我们说，一个项目是否有商业价值，主要看需求分析。而一个芯片是否做得好，80%是由架构设计决定的。
在拿到需求分析文档后，高层设计人员，往往是以架构师为主的团队，需要开会对产品需求逐条进行可行性分析，并在此基础上确定基本架构和模块分解，最终设计出一个系统架构。我可以给你看看，苹果A12的一张系统架构图，你可以感受一下。
<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/fa/1e/fa78ea90aca5892845982d3fa7642f1e.png" alt="">
在基本架构确定之后，芯片的大目标，就是对Power功耗、 Performance性能、Area面积，也就是业内常提到的PPA衡量标准，要有明确的规划，这一般也就确定了要选择的制造工厂和工艺制程。接着，芯片设计公司要把需要向供应商购买的IP和自研的IP，把它们的交付时间和接口逐一确认。苹果的CPU 核一直是自研的，GPU，则从IP供应商那里购买过很长一段时间。
如果采用先进封装技术进行小芯片（chiplet）的设计，此时封装方案和初步的布局规划也都应该确定了。在大多数情况下，一个芯片里面只封装一个集成电路硅片，但是有时候为了更高的性能，或者高密度的设计，当然还有成本因素，需要把多个硅片封装在一起，这种技术手段就叫先进封装。
到架构设计这一步，最终输出的就是一份产品规格书和高层架构设计文档。**这是一个将市场需求，翻译为可实现的芯片架构过程。**
架构确定了之后，通常架构团队和算法工程师团队会建模仿真，确保功能、性能、吞吐量等指标可实现。有了一个可行的芯片设计方案和芯片原型模型之后，架构团队就可以把文档和芯片模型移交给设计团队，开始逻辑设计。设计团队，会先输出微架构或者模块设计文档，然后进入编码阶段。
回顾一下开篇那张图，你可以理解，架构设计的输入是市场需求文档，输出是产品规格书。下一步，逻辑设计也叫前端设计，就需要拿着产品规格书，去输出RTL代码，用以生成网表（Netlist）了。
我们在开头提到，在逻辑设计完成后，还要做物理实现，物理实现就是由RTL代码综合成门级网表，然后生成GDS II文件的过程。这里的物理实现也叫后端设计，前端和后端设计这两个部分并没有统一严格的界限，凡涉及到与物理工艺有关的设计我们就叫后端设计。我们先来看逻辑设计。
## 逻辑设计
#### 前端设计与验证
前端设计（逻辑设计）一般用硬件描述语言，例如Verilog，将架构师的设计用编码实现。大型芯片项目，设计也是分层次的。先进行模块设计，底层的模块写完之后，把新写的模块、商业IP、复用的旧IP等整合在一起，形成一个完整的设计。
其实硬件描述语言，看起来跟C语言颇为类似，不过**写C语言的人，心里想着“hello world”，写Verilog HDL的人，心里想着电路图。**
我给你展示一段编码，用Verilog HDL写的寄存器传输级设计如下图：
<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/49/6e/49ea87acf9a4ec75a2c3fd940827336e.png" alt="">
跟其它的软件项目一样，在设计的同时，验证也要并行进行。验证是芯片设计中最为耗时耗力的工序，ARM的技术白皮书有统计，一般一个项目的40%资源是用在验证阶段的。
#### 逻辑综合
设计验证完成之后，还有一个步骤，叫逻辑综合 （Logic Synthesis），就是用EDA工具把寄存器传输级设计RTL描述变网表（Netlist），非常类似于编译器把C语言翻译成机器语言的过程。从这一步开始，芯片的设计就和具体的晶圆代工厂和具体工艺绑定在一起，设计开始具有物理特征了。
网表表示的电路如下图，它其实就是描述电路元件相互之间的连接关系。
<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/f0/b2/f0ac2ca4ea88e5b0c8ed252fe0960db2.png" alt="">
逻辑综合，对于半导体设计公司不难，但是却是EDA公司的核心产品之一。在实现流程中，就背后算法而言，综合一定是最难最复杂的步骤。一个晶圆厂，并不仅仅要有先进工艺，提供给设计公司的设计工具包PDK（Process Design Kit）和EDA厂商的支持也非常重要。
#### DFT（可测试性设计）
除了以上两步，前端设计还有一个步骤就是DFT（Design For Test）。所谓DFT，就是预先规划并插入各种用于芯片测试的逻辑电路。芯片制造后期，在封测阶段中，很多测试需要依赖DFT的设计。
完成以上工作后，前端设计团队就可以将生成的网表交给后端实现团队，开始物理设计了。当然这个过程不是一蹴而就的，前端设计工程师往往要多次，不同层次的反复综合、验证，各种设计规则检查，既要确保设计的正确性，又要保证设计的布局布线可行且优化。
整个逻辑设计阶段，你可以这样理解：**架构师写在文档上的指标与功能，是需要设计团队通过一行行的代码实现出来的。**
## 物理实现
在前端设计结束后，后端也就是物理实现需要完成布局布线，这个时候，需要把网表转换成制造工厂可以看懂的文件，也就是转化为制造工厂可以用来制造光罩的图形文件。
后端设计的主要步骤可以总结为：布局规划Floorplan→布局Placement→时钟树综合CTS→布线Routing →物理验证。
布局规划就是在总体上确定各种电路的摆放位置，它是后端实现中最为重要的一个环节。我这里放了一张图，你可以看下苹果A11的布局规划是怎么样的。
<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/65/2e/65db0ebbf3fec0314903d178e065c52e.png" alt="">
芯片的面积、时序收敛、稳定性、走线难易，基本上都是受布局规划的影响。在实际项目中，往往此时还有未完成的模块，就要预留位置。
规划之后，在指定区域摆放元器件，就是布局，而把各个元器件连接起来，就是布线。一颗芯片的树状的时钟信号线路非常重要，往往需要单独布线，因此还有一个专门的名称：时钟树综合。最后，要做验证。
我说得简单，其实这就是在指尖上建高楼，在小小的芯片上放置上百亿个晶体管，纳米级的单位，幸而有EDA工具辅助，这不是人力所及的工程。
**一颗芯片做得好不好，在决策阶段取决于市场需求理解的是否深刻，在逻辑设计阶段取决于工程师的能力强不强，而在物理实现阶段基本取决于EDA工具玩得好不好。**
在芯片设计进入纳米时代之后，布局布线的复杂度呈指数增长，从布局规划到布局布线，时钟树综合，每一步涉及到的算法在近年都有颠覆性的革新。这些步骤，都高度的依赖EDA工具。要对EDA工具有深度理解，并且要理解EDA工具背后的方法学。
整个芯片设计流程就是一个设计、优化、验证的不断迭代的过程，每一步如果不能满足要求，例如时序不能满足目标要求，或者存在物理规则违规，信号完整性不合格，都要重复之前的过程，直至满足要求为止，才能进行下一步。
在项目早期，任何的问题，都可以通过修改RTL，然后重做后续步骤来完成。因此大项目，往往有多个版本火车并行在跑。
在项目后期，特别是在最后阶段发现个别电路小问题 ，可以进行工程更改（Engineering Change Order,ECO）。ECO有专门的EDA工具和流程，我就不展开说了。
物理设计完成之后就形成了下图展示的电路图。图中可以看到蓝、红等不同颜色，每种颜色就代表着一张光罩。这个时候的芯片设计就可以以GDSII的文件格式从设计公司移交给芯片代工厂了。自此，设计完成，制造流程开始。
<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/92/5c/924f49cc1d117b00dce2602b0b62c05c.png" alt="">
## 总结
这一讲，我们了解了一颗芯片的诞生，第一步就是芯片设计，有几个重点，简单给你总结一下。
1. 芯片项目是人类历史上最细微也是最宏大的工程，研发投入大，项目收益高。
1. 在需求分析之后，进入芯片设计过程。芯片的设计过程可分为两个部分，分别为：前端设计（也称逻辑设计）和后端设计（也称物理实现），这两个部分并没有统一严格的界限，凡涉及到与工艺有关的设计都可称为后端设计。
1. 一颗芯片做得好不好，在决策阶段取决于市场需求理解的是否深刻，在逻辑设计阶段取决于工程师的能力强不强，而在物理实现阶段基本取决于EDA工具玩得好不好。
1. 整个芯片设计流程是一个设计，优化，验证的不断迭代的过程。
## 思考题
你同意需求分析是整个项目中最重要的环节这个说法么？欢迎你在评论区给我留言。