晶片中電晶體工作狀態和電信號種類

摘要：晶片種類很多，即便是行業內人士，也很難對晶片準確分類和全面了解，當前公眾對晶片的了解可以說是管中窺豹。本文嘗試「拍攝」一套晶片大家族的「全家福」，以便大家對晶片家族有一個全局地了解。其實，這個嘗試是挺難的。晶片猶如浩瀚宇宙的繁星，你觀察的越仔細，就會發現的越多。數不清，理還亂，是力不從心，別是一番滋味在心頭……

集成電路(晶片)應用十分廣泛，種類很多，型號十分繁雜。只要出現新的應用需求，就會產生新的晶片。要描繪晶片大家族全貌，首先要對它進行分類。晶片的分類方法可以有許多種，例如按電晶體工作狀態、製造工藝、適用性、集成規模、功率大小、封裝形式、應用環境、功能用途等進行不同的分類。關注點不同，分類方法也就不同。

本文重點關注晶片中電晶體工作狀態和電信號種類，把晶片家族粗略劃分為數字電路晶片、模擬電路晶片和數模混合電路晶片、特種電路晶片四大類。

圖1.對晶片大家族的簡單分類

一、數字電路晶片

數字電路晶片主要用於計算機和邏輯控制領域，它的工作原理是通過電晶體控制電流的「開」和「關」，來表達數據或信息的「1」和「0」，或者表達邏輯判斷的「是」與「非」，所以數字電路也稱為開關電路或者邏輯電路。數字電路主要是由工作在開關狀態的電晶體組成的。因此，數字電路的規模大小由其中的電晶體多少來分類。數字電路晶片主要包括以下7類。

1.邏輯電路(包括與門、或門、非門、鎖存器、移位器、計數器、編碼器、解碼器、選擇器、比較器、運算器等)：邏輯電路晶片國際通用系列有74系列、40系列、54系列、廠家兼容系列、非系列專用電路等。以74系列為例，它的功能型號超過97種，每種型號再加上輸入輸出數、電源、功耗、速度等不同，又可衍生出4倍以上的品種，總共多達400多個品種。這麼多系列加起來，僅僅邏輯電路晶片就已經非常繁雜了。

但是，邏輯電路品種再多，基本上是由與門、或門和非門電路組合而成的，因此，上述系列的電路也稱為組合邏輯電路。與門電路用於「幾個輸入條件同時存在才有結果，否則就無結果」的判斷；或門電路用於「幾個輸入條件只要有一個存在就有結果，都不存在就無結果」的判斷；非門電路用於「輸入條件存在就無結果，輸入條件不存在就有結果」的判斷。這些判斷和處理組合起來，就可以處理非常複雜的控制和運算問題。

圖2.三種最基本的邏輯晶片

理論上，數量龐大的邏輯電路晶片可以實現目前所有複雜晶片的功能，例如中央處理器(CPU)、微控制器(MCU)、片上系統(SoC)等，更甚者可以實現一個複雜系統的功能，例如電腦、交換機等。只是印刷電路板(PCB)上將要安裝成千上萬，甚至更多的晶片。早期的電子產品都是這麼幹的，但今天不需要這麼幹了。因為今天晶片的集成度很高，許多自成系統的邏輯電路可以集成在晶片內部，一個晶片可以實現很複雜的功能，例如CPU，也可以實現一個完整的系統，例如SoC。所以，今天沒有人願意用大量小晶片實現大系統，因為那樣做出來的系統體積很大、可靠性很差、成本也很高。

圖3.一些組合邏輯電路晶片舉例

今天的邏輯電路晶片用量已經不大了。就像蓋房子可以全部用磚瓦，也可以用一些大型構件，輔助以少量磚瓦，磚瓦用量自然就少了。今天的邏輯電路晶片僅用在小電子產品中，或者用在大系統的通用大晶片之間的連接電路中。

2.通用處理器(CPU、GPU、DSP、APU等)：通用處理器是由海量邏輯電路組成的，它包含了控制、存儲、運算、輸入輸出等部分，形成了一個完整的數據和信息處理系統。它是規模最大、結構最複雜的一類數字電路晶片。(按照通用處理器晶片上可以集成100多億隻電晶體計算，通用處理器大致包含了30多億個與門、或門、非門電路)。因此，通用處理器被歸類為巨大規模集成電路。

通用處理器晶片的特點是按照摩爾定律不斷迭代，不斷推陳出新，形成了若干個產品系列。例如Intel和AMD的X86系列、IBM的PowerPC系列、MIPS的嵌入式CPU系列和ARM RISC系列等數十個系列。每個系列已生產了20～30多個晶片型號，每個型號的市場平均壽命在2年左右。

圖4.一些通用處理器晶片舉例

通用處理器被稱為電子產品和信息系統的大腦和中樞。中央處理器(CPU)用於管理、調度和控制電子產品和信息系統各組成部分協調高效工作；圖像處理器(GPU)接受CPU管理，但可以獨立管理、調度和控制有關圖像顯示、圖形處理的事務；數位訊號處理器(DSP)也接受CPU管理，但可以獨立完成大量、成批和規整的數據和信息的快速運算和處理；隨著人工智慧技術快速發展，傳統的CPU結構不能適應人工智慧系統對信息存儲、運算和推理的要求，新型處理器結構創新產品應運而生，百花齊放。這就是人工智慧處理器(APU)，代表產品如 IBM公司的 TrueNorth、高通公司的Zeroth、谷歌公司的TPU、微軟公司的Brainwave、寒武紀公司的Cambricon-1A、燧原科技的邃思DTU等。

3.存儲器(SRAM、DRAM、PROM、Flash等)：存儲器是用於存儲數據和信息的晶片。其中，可細分為靜態存儲器(SRAM)、動態存儲器(DRAM、LPDDRX)、可編程只讀存儲器(PROM)、閃速存儲器(Flash)和嵌入式存儲器(Embedded Memory)等。

SRAM用於電子產品中存儲數據，在通電過程保持數據不變，斷電後數據丟失；DRAM在通電過程中通過定時刷新保持數據不變，斷電後數據丟失；Flash在通電過程中保持數據不變，斷電也不丟失；PROM一旦用特殊手段寫入數據後，不論通電與否都不會丟失。前兩種稱為易失性存儲器，後兩種稱為非易失性存儲器。以上這幾種存儲器可以封裝成獨立的存儲器晶片，也可以設計在CPU、MCU、SoC之中,也被稱為嵌入式存儲器。

圖5.一些存儲器晶片舉例

根據用途不同，要選擇使用不同的存儲器，例如，桌上型電腦斷電後數據一般保存在硬碟上，所以大量採用DRAM(DDR、LPDDRX等)，而手機為了永久保持數據(如通信錄、照片、音視頻等)，就要大量使用Flash晶片。

4.單片系統(SoC)：單片系統就是把一個電子系統全部集成到一顆晶片中。只要給SoC晶片加上電源和少量外部電路，就可以實現一個完整的電子產品或系統的功能。例如音視頻播放器(MP4)、汽車導航儀、手機等都可以用一個SoC晶片加少量外部元器件來實現。SoC晶片內部一般由CPU核、嵌入式存儲器、I/O接口(按鍵、觸控、USB、WiFi……)等部分組成。SoC晶片是面向具體應用領域而設計的專用系統級晶片，例如用在醫療設備、汽車電子、抄表系統、智慧型手機、智慧電視等領域，都有適合該領域應用的SoC晶片。SoC晶片不像CPU晶片那樣可以跨領域通用，只能在本應用領域內使用。

圖6.一些面向應用的SoC晶片舉例

5.微控制器(MCU)：微控制器通常也稱為單板機或單片機，它是簡化版的通用處理器(CPU)。簡化體現在幾個方面，包括處理字寬、處理器和指令架構、內存大小、時鐘速度等。MCU一般用在較簡單的、小型的電子產品或系統中，實現簡單的控制和數據處理任務，但在大型系統中，也可以用許多MCU完成複雜的控制任務。MCU晶片的應用面十分廣泛，從小到陽臺定時澆花器、電飯鍋、電冰箱等的控制，中到儀器、儀表、工業自動化生產線等的控制，再到大型應用例如高鐵、飛機等的系統控制等。

以MCU或SOC晶片為核心搭建的電子系統也稱為嵌入式系統，MCU和SOC也被稱為嵌入式微處理器。

MCU的種類特別多，主要產品多達70 多個系列，500多個品種。例如MCS-51系列、PIC系列、STM32系列、MSP430系列、TMS系列、AVR系列、STC系列等。僅MCS-51系列，按一個機器周期有幾個時鐘周期T劃分為幾個規格，12T的晶片有8051、8031、AT89C51、8032等；6T的晶片有STC89系列等；4T的晶片有80C320、W77E58等；1T的晶片有STC系列等。同時又有不同的廠家和品牌，晶片型號非常多。

圖7. 一些MCU晶片舉例

6.定製電路(ASIC)：如果用戶不想使用通用晶片，而是按自己的應用要求定製一款晶片，這種晶片就稱為全定製晶片。二代身份證晶片就是典型的ASIC例子。有些整機廠商為自己的產品定製ASIC，避免採用通用晶片，一是為了保護產品的技術細節和訣竅，二是ASIC會更加適合自己產品的需要，三是只要產品能上量，就可以攤薄ASIC高昂的定製費用。

圖8.一些ASIC晶片舉例

7.可編程邏輯器件(PLD) (包括PLD、PAL、GAL、FPGA等)：前面第1～6類晶片被稱固定邏輯電路晶片，它們從代工廠生產出來後，功能就被固定下來，不能再進行任何大的改變。如果需要完善和升級，就要先修改設計，再交由代工廠重新生產。修改和重新生產的成本是很高的，只有需求量很大的晶片才按照固定邏輯電路的模式進行開發。需求數量少、有更新和升級可能的晶片，需要按照可編程邏輯器件的模式進行開發。

可編程邏輯器件(PLD)由工廠生產出來後，其功能還沒有確定，需要設計人員按需求進行編程後，晶片才能表現出想要的功能。而且某些種類的PLD晶片還可以進行多次編程，十分適合要對晶片的功能進行完善和升級的應用場合，例如通信設備、移動通信基站等。

可編程邏輯器件在編程之前屬於通用晶片，廠家可以批量生產，滿足不同領域的應用需求。而在編程之後就變成了專用晶片，只滿足某個具體領域的特殊應用。因此，PLD晶片也稱為半定製晶片。

圖9.一些可編程邏輯器件晶片舉例

目前應用最廣的是現場可編程門陣列(FPGA)，它特別適合用在用量不大，或者用量較大，但需要不斷完善和升級的應用場合。它在通信、安防監控、自動控制、人工智慧、軍工與航天等領域，以及晶片設計的原型驗證、算法與嵌入式系統開發等方面都有著廣泛應用。

有人喜歡把ASIC和PLD進行對比，因為ASIC和編程後的PLD都是專用定製晶片。但它們有以下區別，一是前者是交由設計者和製造廠去定製，後者是自己編程定製；二是前者生產處理後，晶片功能不能改動，後者經編程後，晶片功能還可以完善和升級。三是前者生產定製代價很高，需要產品上量才行，後者定製成本很低，適合在小批量產品上使用。

二、模擬電路晶片

模擬電路是指用來對模擬信號進行檢測、傳輸、變換、處理、放大等工作的電路。模擬電路中的元件除了電晶體外，還包括二極體、電阻、電容和電感等。其中，電晶體大多數不是像數字電路一樣工作在開關狀態，而是工作在線性狀態。模擬電路晶片功能很多，種類也很多，很難成系列。與數字電路相比，模擬電路晶片的設計難度更大，需要更長時間的技術積累，對設計人員的要求更高。因此，模擬電路晶片和系統的設計人員的薪酬更高。

說明：這部分晶片舉例圖中給出了晶片的內部結構圖，看似複雜，其實比數字晶片(例如CPU、GPU等)規模小很多，數字晶片中的電晶體數量多達數百～上百億隻，無法畫出電晶體級的結構，只能畫出大的功能模塊。不要誤認為模擬晶片比數字晶片結構複雜。

1.分立器件和模組(二極體、三極體、MOSFET、IGBT等)：這些器件和模組也是採用集成電路平面工藝製作而成，雖然封裝成器件和模組的形式，外觀不像一般的晶片，但它們也屬於集成電路的範疇。分立器件內部的元件數量極少，但在設計和製造時，對其中元件參數的把控極其講究。不像數字電路以功能為王，所有模擬電路都是以參數和性能為王。

圖10.一些分立器件和模組舉例

2.電源電路：電源電路用於把200V50Hz交流電轉換成不同輸出電壓和電流的直流電，作為各種電子產品和系統的電源。電源電路晶片種類很多，僅以常用的開關電源晶片為例，晶片型號竟多達300多種(其中DC/DC晶片160多種；AC/DC晶片60多種；電源控制器晶片30多種；充電控制器晶片50多種)。估計現有的電源晶片型號不下500種。

圖11.一些電源晶片舉例

3.信號檢測電路：用於檢測微弱的電信號，經過濾波、放大等多種前端處理後，變成便於處理的大信號、或者數位訊號。

圖12.一些信號檢測晶片舉例

4.濾波器：濾波電路用於信號的提取、變換或抗幹擾。它是一種選頻電路，可以使信號中特定的頻率成分通過，同時極大地衰減其他頻率成分。因此就有低通、帶通和高通濾波器之分，也有無源和有源濾波器之分，濾波器晶片一般是有源濾波器。

圖13.一些濾波器晶片舉例

5.轉換電路：轉換電路用於把電流信號轉換成電壓信號或將電壓信號轉換為電流信號；或者將直流信號轉換為交流信號或將交流信號轉換為直流信號；或者將直流電壓轉換成與之成正比的頻率等。開關電源、穩壓電路、電平轉換、模擬-數字轉換電路(ADC/DAC)等也是轉換電路。ADC/DAC屬於數模混合電路，故放在第三部分介紹。

圖14.一些轉換電路晶片舉例

6.信號發生器：信號發生電路用於產生正弦波、矩形波、三角波、鋸齒波等。它主要包括各種函數信號發生器，特殊頻率、波形和脈衝信號發生器等。根據應用需要，信號發生器產生的信號種類也在不斷增加中。

圖15.一些信號發生器晶片舉例

7.放大器：放大電路用於對信號的電壓、電流或功率進行放大。主要包括前置放大器、運算放大器和功率放大器(PA)等十多种放大器。而且根據信號頻率高低，還可分為低頻、中頻、高頻、射頻等種類。而且,因應用場合不同，有不同的性能要求，會有不同種類的放大器名稱。

圖16.一些放大器晶片舉例

三、數模混合電路

1.模-數轉換器(ADC、DAC)：模擬-數字轉換器(ADC)和數字-模擬轉換器(DAC)晶片是現實世界與數字世界的電路接口，沒有這些晶片就沒有今天的數位化世界。這類晶片從通道數量、轉換位寬、轉換速率、精度等方面，可以有許多細分品種，晶片型號非常多。

圖17.一些ADC和DAC晶片舉例

2.光電轉換電路：光電轉換晶片是實現光通信和光電系統不可或缺的晶片種類。包括光電耦合器件、光電探測器二極體、光敏三極體、光敏電阻器等。

圖18.一些光電轉換電路晶片和器件舉例

3.基帶電路：手機基帶晶片主要由微處理器、信道編碼器、數位訊號處理器、數據機和接口模塊組成。它用來合成即將發射的基帶信號，或對接收到的基帶信號進行解碼。目前，基帶晶片只有高通、英特爾、三星、華為、聯發科、展訊、中興等少數公司可以設計生產。

圖19.一些基帶晶片舉例

4.數據機：調製解調晶片是實現調製、解調、或者二者兼而有之功能的晶片。調製是把變化著的基帶信號轉成對應變化著的載波的幅度(調幅)、或頻率(調頻)、或相位(調相)等模擬量。解調是把變化著的載波的幅度(調幅)、或頻率(調頻)、或相位(調相)等模擬量轉成對應變化著的基帶信號。調製解調晶片在無線電收發報機、無線廣播電視、無線通信、寬帶網絡和光纖網絡等方面廣泛應用。

圖20.一些調製解調晶片舉例

5.接口電路：接口電路是晶片內部件之間、晶片之間、晶片與外界之間、系統與系統之間的連接和轉換的電路，它承擔著系統的搭建任務，起著承上啟下的重要作用。接口電路的細分種類非常多，非常繁雜。

圖21.一些接口電路晶片舉例

7.傳感器：傳感器用來測量和感知現實世界中的各種物理量，例如磁力、運動、壓力、溫度、溼度、圖像、聲音等。傳感器的細分種類非常多，一般是以器件而不是晶片的形式存在，即使有晶片也是封裝在器件之內。

圖22.一些傳感器晶片舉例

8.驅動器：驅動器晶片和器件的細分種類很多，從小到數碼管、LCD和LED顯驅動，中到電機驅動、半導體照明驅動，大到電力開關驅動、電動汽車和機車動力驅動，細分種類很雜，數量很多。

圖23.一些驅動器晶片舉例

四、特種電路晶片

1.抗輻射軍工宇航級電路：宇航級晶片不但要在工作溫度上超過軍品級晶片(-55℃～125℃)，而且要有抗輻射等方面的要求。軍工宇航級晶片一般採用陶瓷封裝和帶保護屏蔽殼的封裝方式。這些晶片在功能、性能、溫度、抗輻射、可靠性等方面都要有絕佳表現，由於壟斷程度很高，需求數量又較少，據說有些晶片售價高達50萬～500萬元/片。

圖24.一些軍工宇航級晶片舉例

2.射頻功率電路：人們不斷追求無線通信速度和質量，對無線傳輸的射頻功率電路晶片和器件提出了嚴苛的要求。而且這些晶片和器件屬於模擬電路，可以說它們是晶片皇冠上的明珠，只有靠長期研發投入和技術積累才能摘取，沒有其它捷徑可走。

圖25.一些射頻功率電路晶片和器件舉例

3.超高壓大功率電路：矽功率器件由於價格較便宜，目前仍然廣泛應用在600V以下的場合，但如果電壓要求進一步提高，特別是對效率、溫度有較高要求的場合，只能選擇使用SiC等寬禁帶材料製作的晶片和器件。

圖26.一些超高壓大功率電路晶片和器件舉例

結語：文中的分類是粗略和大概地劃分，舉例的晶片和器件未必最具代表性，每個大類還應該有可添加的細分類別。無法追求太完美，也只能抓大放小，粗略勾畫出晶片大家族的「容貌」，希望對您了解晶片有所幫助。

責任編輯：xj

原文標題：【芯論語】為集成電路(晶片)大家族「拍攝全家福」

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