12：从芯片说起~芯片是如何工作的

前面一小节介绍了芯片是什么。我们虽然知道了芯片是个什么东西，但是仍然不知道芯片是如何工作的。我们还是要了解芯片的具体工作原理，才能真正理解编译器设计机器码、中间代码的原因。下面我们就从学习一个最简单的8位CPU的设计原理，来搞懂芯片到底是如何工作的。当前CPU设计已经很复杂了，原理也和本文的内容有很大差异，但是万变不离其宗，最基本的原理还是一致的。

注：本小节内容主要是对《But How Do It Know? - The Basic Principles of Computers for Everyone》一书的理解总结，这本书目前还没人翻译。建议英文条件好的同学都去买英文原本看下，或者网上也有电子书。

芯片内部什么样子

芯片电路图

学过数字电路的同学是不是感觉上面的电路图并不复杂？目测就一百多个门电路和封装好的译码器、移位器等拼一块儿竟然就成了一个8位CPU芯片。最右边是输入机器码的地方。红色是每个时钟电路的通路。

记住这一点：CPU芯片本质上只是在不断的重复取指令、计算、输出结果，而取值、计算、输出本质上就是芯片内部的不同通路 。而不同通路的选择以及值的传递靠的是门电路。下面我们就来从头开始DIY自己的8位CPU芯片，借此理解芯片的工作原理。

一点背景知识

开始动手DIY芯片之前，我们要了解一下基础的数字电路。这些并不复杂，只要你懂基本的逻辑运算就可以。门电路只不过换了一种符号体系来表示数学运算。

与非门

c = !(a & b)，其中c是输出，a、b是输入。这个计算公式表达的含义就是将a、b做与运算后再取非。注意：a和b都是一根线，换句话说都是一个bit。对应数字电路的与非门：

与非门

真值表

请各位同学记住：这是这个芯片里面最重要的基本电路。

非门

c = !(a & a)。与非门大家看懂了，这个就没啥好说的了。纯粹就是拿与非门实现了非门电路

非门

1bit存储单元

来了，重点来了，我们开始用基本的门电路搭建一bit的存储单元。数字电路有很多的稳定的状态（简称稳态），有的稳态输出0，有的稳态输出1。输出从0切换为1，或者从1切换为0，都只不过是外部条件触发从一个问题切换到另一个稳态。

废话不再多说，上电路图：

1bit存储单元

我们来分析下电路的输出：

1.i=0 s=1。此时a=1，b=0，c=1，o=0。

2.i=1 s=1。此时a=0,b=1,o=1,c=0。

规律1：当s=1时，o的值和i保持一致。i就是输入，o就是输出。

3.i=0, s=0。此时a=1,b=1,o和c的值既可以是0，也可以是1，或者说保持原有值。

4.i=1, s=0。此时a=1,b=1,o和c的值既可以是0，也可以是1，或者说保持原有值。

规律2：当s=0时，o的值维持自己的值不变，无论i怎么变化。

看到没 ！！！规律1+规律2是不是造就了一个可以保存输入值的电路，这就是1bit内存单元。支持写入，支持读取。

8bit存储单元

1bit我们做好了，8bit就是集合8个1bit单元。用一个开关位控制（如果多个开关位也可以，那就表示CPU支持位操作指令）

8bit存储单元

总线

我们先来介绍一个新的电路，由多个与门电路组成。这个电路当e关闭时，无论i输入怎么变化，输出的值都是0。当e打开时，输出和输入保持一致。

使能电路

我们把这个电路和前一个电路串联起来，得到下面这个电路，这个就是我们后面要用到的8bit寄存器了。这个电路很重要，前面的B允许我们读取输入并保存起来（无论输入后面怎么变化）。后面的E允许我们该输出的时候才输出：

寄存器电路

再来加入一个关键概念总线 ：

我们把8bit线的连接用“=”符号替换，这就是总线了。这里也能看出一个重要概念，总线其实是有位数的概念的。

简化后的表达

其他表示方法

译码器

再来最后一个译码器电路。其实就是将abc的值，翻译成具体的值。

译码器

好了，我们可以继续了。有了这些背景知识，你就可以做一个CPU了。下个小节我们正式开始

动图加详细解释：让你一下看懂芯片是如何制造出来的

作者：佰思科学 ｜ 沈东旭 邱亚明

芯片可以被称为现代信息产业的粮食，如果没有芯片，所有的信息产品都要停摆。 近来美国对华为的制裁，传说中的对中芯国际的制裁，都是想从根本上阻挡中国信息产业的蓬勃发展之势。

芯片是如此的重要，大家也对芯片行业的发展动态十分的关注。故而很多人也想更清楚地了解，芯片到底是如何制造出来的。本文通过一系列动图向你展示整个芯片的制造流程。芯片的诞生过程，可以分为设计、制造、封测三大步。

设计

芯片的诞生总是从设计开始的。 下面你所看到的，就是芯片的设计图。

芯片设计图

在芯片设计图中，你可以看到很多这样的符号：

晶体三极管

这些都是晶体管的符号。晶体管有三个管脚，上下两个管脚C和E之间可以流过电流，而中间那个B管脚则是一个开关，决定了C和E之间能否有电流通过。看起来就好像下图一样，

晶体管工作示意图

当然，点按开关的小手指头，只不过是一个可爱的模拟；真实的实现，是通过B管脚的电流来控制，直观来说如下图所示，

晶体管的工作原理

我们都知道，在数字化系统中，信息都有0、1来代表，因此晶体管这种开与关的状态天然与0、1状态相切合，自然而然就成了数字电路中最基本的组成部分。换句话说，用一定数量的晶体管，就能实现我们想要的功能；想要得到更多更好的功能，就要增加晶体管数量。假如我们把芯片比做一栋大厦，那么晶体管就是建设这栋大厦的每一块砖。

一开始，晶体管长成这样：

晶体管

是不是感觉有点占地方？于是，人们就想办法把晶体管做小，就出现了集成电路，也就是芯片。 在芯片里，集成了大量的晶体管。对同样面积的芯片来说，每一个晶体管的尺寸越小，能容纳的晶体管数量就越多，芯片功能就越强大。简单来说，晶体管两个管脚之间的距离被定义为线宽，线宽越窄，则晶体管就越小，那么芯片能容纳的晶体管就越多。我们常说某种芯片采用了5纳米或者7纳米的工艺，这里面的5纳米或7纳米指的就是晶体管的线宽。 以华为最新的麒麟1020芯片为例，采用的是台积电5nm工艺，晶体管数量达到了惊人的150亿。

麒麟1020是当前世界上最先进的手机处理器

制造

芯片设计好了，该怎么制造呢？芯片是在一块圆型的高纯度硅片上进行制造的，人们管它叫做晶圆（Wafer）。硅的纯度非常高，用于做芯片的硅能达到11个9的纯度，就是99.999999999%。

晶圆由高纯度的硅制成

晶圆有不同的直径。随着技术的进步，晶圆的直径总是在增加。 大晶圆能生产更多的芯片，更少的浪费，因此能带来更好的制造效率，降低成本。近年来，晶圆的直径从4英寸（100mm）、6英寸（150mm），已经增加到8英寸（200mm）、12（300mm）英寸。未来还会增加到15英寸甚至20英寸。

不同的晶圆尺寸

制造芯片的过程，本质上来说就是在硅材料上实现一个个晶体管的过程。 芯片里面的晶体管可以抽象成下图中的模式：

芯片里的晶体管

在硅晶体的上面，需要有一个二氧化硅绝缘层，再上面还有一个导电硅化合物层（图中红色部分），起到开关的作用。晶体管的电流流动模式如下图所示：

晶体管内的电流流动

整个芯片的制造过程分为很多细小的步骤。首先晶圆要放进加热炉（Furnace）里，炉子的温度有1000℃，目的是将晶圆表面氧化，形成二氧化硅绝缘层。

晶圆被放进加热炉中氧化

然后，在晶圆表面涂上光刻胶，这是为了进行晶圆曝光做准备。

涂光刻胶

至此，所有的准备工作都做完了，下一步就是上光刻机了。在曝光之前，你需要有光掩膜（Mask）。这是一块绘有电路图的玻璃，光刻机就要把上面的电路图投影到晶圆上面去。光掩膜是非常贵的，几十万美元很常见，贵的甚至超过一百万美元。

光掩膜

晶圆曝光的原理很简单，就是光通过掩膜和镜头，投射到晶圆上面去。

晶圆曝光的原理

现在进行晶圆曝光的光源通常是深紫外光（DUV）或者极紫外光（EUV）。光刻机曝光的过程可以看下图：

光刻机进行晶圆曝光

原理虽然简单，但执行曝光操作的光刻机则是超级复杂的机器，号称人类有史以来做过的最复杂的机器。在所有芯片生产步骤里，中国企业与世界先进水平差距最大的就是光刻机；其他领域虽然也有差距但解决起来都比光刻机容易。 换句话说，只要中国的光刻机水平能与世界先进水平看齐，则中国整体芯片生产能力也将达到世界先进水平。光刻机包括了光源，透镜和双工件台三大部分，双工件台相当于放晶圆的架子。 光刻机的内部结构见下图，

光刻机的内部结构

曝光之后，就要把晶圆上不需要的部分去掉，需要的部分保留。下一道工序就叫做蚀刻 ，常用的方法是等离子蚀刻，晶圆在蚀刻机受到等离子体的轰击，不需要的部分就被去除了。

蚀刻机在工作

再下一步就是离子注入，也叫做掺杂 --硅片内需要掺入一些元素以改变硅的导电性能。在离子注入机里，这些元素的带电离子被加速后撞击晶圆，进入硅片内部。

离子注入设备

这个步骤完成之后，一个曝光流程就基本结束了。通常每次曝光制作的只是芯片的一部分，完整的芯片需要多次曝光完成。于是又要重复之前说过的氧化、镀膜、光刻、蚀刻、掺杂等步骤，复杂的芯片要反复操作好几十次，才能最终完成。

封测

对芯片代工厂来说，处理完成的晶圆是这样的。

代工厂加工好的晶圆

再下一步的工作就是送去封测厂，先对晶圆进行切割，就得到了一个个的裸片，die。

切割晶圆

裸片放到合适的包装里 ，再经过检测，就成为芯片了。

芯片常见的封装形式

如果以上解释你看的不过瘾，可以在我们头条主页看一个由佰思科学制作的2分半钟的芯片制作视频！

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