Компьютерные чипы: определение, структура, классификация, производство и технологическое развитие

2025-11-13

(1) Что такое компьютерный чип?

Электронный компьютерный чип, также известный как интегральная схема (Integrated Circuit, IC), является основным компонентом современных электронных устройств, отвечающим за обработку, хранение и передачу информации.

Компьютерный чип, точнее говоря, кремниевая пластина, представляет собой тонкую пластину из кремниевого материала размером примерно с половину ногтя. В одном чипе содержатся тысячи и тысячи резисторов, конденсаторов и других мелких элементов, образующих микросхемы, генерирующие импульсные токи. Используя эти микротоки, компьютерный чип способен выполнять операции, необходимые для управления компьютером, автоматическими устройствами и другим различным оборудованием.

В компьютере много чипов. Черные прямоугольники на планках памяти — это чипы, на материнской плате, жестком диске, видеокарте и т.д. также много чипов; CPU также является компьютерным чипом, только он более сложный и точный, чем обычные компьютерные чипы.

Основные микросхемы в микрокомпьютере включают микропроцессорные чипы, интерфейсные чипы и микросхемы памяти.

(2) Структура компьютерных чипов

Структура электронных компьютерных чипов очень сложна. Она состоит из множества функциональных слоев и модулей.

Структуру компьютерных чипов можно разделить на следующие три части:

Первый, логический функциональный уровень

Транзисторный слой (Transistor Layer): Состоит из миллиардов MOSFET (металло-оксидных полевых транзисторов), образующих P/N-полупроводниковые структуры с помощью процесса легирования, которые являются базовыми элементами для создания логических вентилей.

Слой межсоединений (Interconnect Layers): Многослойные металлические проводники (медные или алюминиевые), разделенные изолирующей средой, обеспечивают соединение сигналов между транзисторами. Современные чипы могут содержать более 15 слоев межсоединений общей длиной в несколько километров.

Второй, функциональные модули

(А) Вычислительный блок:

2. Устройство плавающей арифметики (FPU): обрабатывает вычисления с плавающей запятой высокой точности.

(B) Устройство управления (Control Unit)

Отвечает за декодирование инструкций и планирование процесса выполнения, включает такие компоненты, как программный счётчик (PC), регистр инструкций (IR) и др.

‌(C) Ячейка хранения‌

‌Регистровый набор‌: высокоскоростное временное хранение выполняемых инструкций и данных (например, регистры EAX/EBX в архитектуре x86).

‌Кэш-память (Cache)‌: иерархическая структура хранения (L1/L2/L3), сглаживающая разницу в скоростях между процессором и оперативной памятью.

III. Физическая структура упаковки

（A）Кристалл (Die)

Функциональная схема, интегрированная на подложке из монокристаллического кремния, формирующая наноструктуры с помощью литографического процесса, площадью от нескольких квадратных миллиметров до нескольких сотен квадратных миллиметров.

（B）Подложка (Substrate)

Несущий слой из керамики или органических материалов, обеспечивающий электрическое соединение кристалла с внешними цепями, содержащий интерфейсы в виде контактных площадок или припойных шариков.

Включает термопасту, металлическую крышку (IHS) и т.д., используется для отвода тепла от чипа.

(3) Параметры компьютерных чипов

Параметры компьютерных чипов делятся на три категории. Краткое описание каждой категории приведено ниже.

I. Основные параметры архитектуры

(A) Техпроцесс

Размер транзисторов в нанометрах (нм), который напрямую влияет на производительность и энергопотребление чипа. При техпроцессе 3 нм плотность транзисторов может достигать 250 миллионов/мм².

(B) Тип архитектуры

x86: основная архитектура Intel/AMD, сложный набор команд (CISC), подходит для высокопроизводительных вычислений.

ARM: сокращённый набор команд (RISC), энергоэффективная конструкция, доминирует на рынке мобильных устройств.

RISC-V: открытый набор команд, высокая степень настраиваемости, широко применяется в новых областях.

(A) Тактовая частота

Базовая рабочая частота (например, 3.5 ГГц), определяющая скорость выполнения инструкций одним ядром, требует совместного повышения с эффективностью архитектуры для увеличения производительности.

Turbo Boost: технология динамического разгона, кратковременно повышающая частоту (например, до 5.2 ГГц) для обработки пиковых нагрузок.

(B) Количество ядер/потоков

1. Физические ядра: независимые обрабатывающие блоки (например, 16 ядер), многоядерная параллельная обработка повышает способность к многозадачности.

2. Гиперпоточность (Hyper-Threading): одно ядро виртуально создает два потока, повышая эффективность использования ресурсов (например, 32 потока).

(С) Иерархия кэша

L1: для каждого ядра отдельно (32-64 КБ), задержка доступа <1 нс

L2: На ядро (256 КБ-4 МБ)

L3: Общий для всех ядер (16-128 МБ), снижение задержки доступа к памяти

III. Параметры энергоэффективности и масштабируемости

(A) TDP (тепловыделение)

Показатели энергопотребления при типичной нагрузке (например, 65 Вт/125 Вт) влияют на проектирование системы охлаждения.

(Б) Шины и интерфейсы

Передняя шина (FSB): пропускная способность обмена данными между процессором и северным мостом (например, 8 ГТ/с), влияющая на пропускную способность памяти.

Версия PCIe: пропускная способность интерфейса расширения (PCIe 5.0 достигает 32 ГБ/с), определяющая максимальную производительность видеокарты/SSD.

(С) Поддержка памяти

Количество каналов: двухканальный/четырёхканальный дизайн (DDR5-6400), повышающий пропускную способность.

Максимальный объём: поддержка расширения памяти до 512 ГБ (для серверных чипов).

(4) Классификация компьютерных чипов

Система классификации компьютерных чипов и детали их разделения представлены ниже.

I. По основной функции

(A) Чипы логических операций

CPU: Использует архитектуру CISC/RISC, интегрирует АЛУ, блок управления и многоуровневый кэш, отвечает за универсальные вычисления и системное планирование (например, серии Intel Core/i9).

GPU: Встроенные тысячи параллельных вычислительных ядер для обработки графики и массового параллельного обработки данных, например NVIDIA RTX 4090.

DSP: Специализированная архитектура для цифровой обработки сигналов, оптимизированная для таких алгоритмов, как преобразование Фурье, например серия TI TMS320.

(B) Чипы памяти

DRAM: Динамическое оперативное запоминающее устройство, используется в качестве основной системной памяти, например DDR5.

Flash: энергонезависимая память (флеш-память), включая NAND (твердотельные накопители) и NOR (память для хранения прошивки).

MEMS-датчики: интегрированные акселерометры, гироскопы и т.д., используются для восприятия окружающей среды, например, для определения положения телефона.

MCU: микроконтроллеры, интегрирующие процессор, память и интерфейсы ввода-вывода, подходят для устройств интернета вещей, например, серии STM32.

Во-вторых, по способу обработки сигналов

(A) Цифровые чипы

Обрабатывают двоичные дискретные сигналы, в основе лежат логические вентильные схемы, включая CPU, GPU, FPGA и др.

FPGA: программируемые логические устройства, реализующие реконфигурацию аппаратной части с помощью CLB, например Xilinx UltraScale+.

ASIC: специализированная интегральная схема, оптимизированная для конкретных алгоритмов, например, чипы для биткойн-майнеров.

(B) Аналоговые микросхемы

Обрабатывают непрерывные аналоговые сигналы, используются для преобразования сигналов и управления питанием:

ADC/DAC: аналого-цифровые/цифро-аналоговые преобразователи, например, ADI AD9269.

PMIC: микросхема управления питанием, оптимизирующая энергоэффективность, например Qualcomm SMB1396.

III. Классификация по областям применения

(5) Процесс изготовления компьютерных чипов

Изготовление компьютерных чипов — это сложный инженерный процесс, объединяющий материаловедение, прецизионную обработку и микроэлектронные технологии, который в основном включает следующие ключевые этапы:

Во-первых, проектирование микросхем

(А) Фронтенд-проектирование

В соответствии с требованиями к функциям микросхемы, с использованием языка HDL описывается логика схемы, с помощью инструментов EDA выполняется симуляция и верификация схемы, и генерируется логическая схема.

(Б) Бэкенд-проектирование

Преобразование логических схем в физическую топологию, оптимизация размещения и трассировки, вывод файлов масок в формате GDS II для использования в производстве.

II. Подготовка пластин

(A) Очистка кремния и выращивание монокристаллов

Извлечение электронного поликремния из диоксида кремния, выращивание монокристаллических кремниевых слитков методом Чохральского при температуре 1400°C, диаметром до 300 мм.

(Б) Резка и полировка

Алмазной проволокой кремниевый слиток разрезают на пластины толщиной 0,75 мм, которые затем подвергаются химико-механической полировке (ХМП) и очистке в растворах SC1/SC2 для получения сверхгладкой поверхности.

III. Фотолитография и травление

(А) Нанесение и экспонирование фоторезиста

Нанесение фоторезиста на поверхность пластины методом центрифугирования, экспонирование ультрафиолетовым излучением через фотошаблон для переноса схемы на слой фоторезиста.

(Б) Сухое/мокрое травление

Удаление незащищенных фоторезистом областей с помощью плазмы или химических растворов для формирования трехмерной структуры схемы.

Четыре, легирование и осаждение тонких пленок

(А) Ионная имплантация

Посредством бомбардировки кремниевой пластины высокоэнергетическим ионным пучком изменяется проводимость локальных областей, формируя полупроводниковые структуры P/N-типа.

(Б) Химическое осаждение из газовой фазы (CVD)

На травленую поверхность осаждаются металлы (например, медь) или изоляционные слои (например, диоксид кремния), создавая структуры межсоединений транзисторов.

Пять, тестирование и упаковка

(А) Тестирование на уровне пластины

Использование пробника для проверки электрических характеристик и маркировка дефектных чипов.

(Б) Разделение и упаковка

Лазерная резка пластины для разделения на отдельные микросхемы, которые затем упаковываются в керамические/пластиковые подложки, подключаются к выводам и заполняются защитным материалом.

(С) Финальное тестирование

Проверка функциональности, энергопотребления и надёжности микросхемы, после чего она сортируется и передаётся клиенту.

(Шесть) История развития компьютерных чипов

История развития компьютерных чипов восходит к середине XX века, пройдя путь от транзисторов к интегральным схемам, а затем к технологическим инновациям, вызванным потребностями в современных высокопроизводительных вычислениях.

I. Ранний этап развития

Эра транзисторов: В 1947 году учёные из Bell Labs изобрели транзистор, заменивший громоздкие вакуумные лампы и открывший новую главу в полупроводниковой эре. Появление транзисторов сделало электронное оборудование более эффективным и стабильным.

Эра интегральных схем: В 1958 году американец Джек Килби, работавший в компании Texas Instruments, предложил разместить два транзистора на одном чипе, тем самым изобретя первую интегральную схему (ИС). Это изобретение ознаменовало начало эры интегральных схем.

Во-вторых, развитие современных технологий чипов

Закон Мура: В 1965 году Гордон Мур выдвинул теорию, согласно которой количество транзисторов будет удваиваться каждые 18-24 месяца. Эта теория получила название закона Мура.

Прогресс в технологических процессах: С 1970-х по 2000-е годы технологические процессы производства чипов перешли от микронного (мкм) уровня к нанометровому (нм) уровню, а процессоры эволюционировали от одноядерных к многоядерным. Количество транзисторов на чипе постоянно увеличивалось, а их функциональность становилась все мощнее.

В 1971 году компания Intel выпустила первый микропроцессор — чип 4004.

В 1974 году компания Intel выпустила новый процессор, Intel 8080. Особенности: использование сложного набора инструкций и 40-контактного корпуса; его производительность была в 10 раз выше, чем у 8008, он мог выполнять 290 тысяч инструкций в секунду.

В 1993 году был официально представлен процессор Intel Pentium, имевший знаковое значение. С этого времени персональные компьютеры начали вступать в эпоху мультимедиа.

В 1998 году Intel выпустила процессор Pentium II Xeon. Xeon в основном использовался для интернет-сервисов, хранения корпоративных данных, систем баз данных, бизнес-программного обеспечения, автоматизированного проектирования механики и т.д.

В марте 2003 года Intel представила комплексное компьютерное решение — мобильную вычислительную технологию Centrino.

Современные вызовы и решения: По мере уменьшения технологических узлов производство микросхем сталкивается с такими проблемами, как резкий рост затрат, снижение выхода годных изделий, узкие места в производительности и проблемы энергопотребления. Технология чиплетов (Chiplets) как новая технологическая парадигма, предлагая совершенно новые решения путем разложения сложных систем на несколько независимых модулей, способствует инновациям в вычислительных архитектурах.

3. Потребности и технологические инновации в современном высокопроизводительном вычислении

Оптоэлектронная гибридная технология: В последние годы оптоэлектронная гибридная технология стала горячей темой исследований.

Например, компания ООО Чунцин Госинь Электроникс также стала одной из вариантов отечественной замены, на её официальном сайте guoxindianzi.ru можно найти информацию о соответствующих продуктах и альтернативных решениях, что предоставляет новые возможности для заинтересованных предприятий.

За последние два года в Китае и США появились квантовые и фотонные чипы. Они всё ещё находятся на экспериментальной стадии.

‌Новые материалы и технологии упаковки‌: применение новых материалов, таких как FinFET и GAAFET, а также развитие технологий упаковки, таких как Chiplet и 3D-стекирование, позволяют чипам демонстрировать более высокую производительность при меньших размерах‌.