近年來，美國為了限制中國科技的發展，不斷利用其技術優勢對中國科技企業實施打壓，先是對中興開出鉅額罰單，又將華為列入實體名單，限制對華為的出口，令美國意想不到的是，華為竟早有準備，沒有因為芯片的斷供產生惡劣的影響，著實為中國科技企業長臉。因此芯片技術越來越火熱，成為大家關注的一個焦點。為了讓大家對芯片瞭解的更加深入，接下來將圍繞芯片為大家展開一系列的科普內容。
本期科普的主題是為大家講解什麼是芯片？芯片的基本原理是什麼？
提起什麼是芯片，大多數人的第一反應肯定是腦補芯片的樣子，但實際上我們大多數人並沒有見過芯片真正的樣子。有些見過計算機內部結構的人可能感覺在機器內的各種板子上那些"黑方塊"就是芯片。
但是這個認知的不準確的，因為大家看到的其實是芯片經過包裝處理過後的樣子，我們將黑色包裝去掉之後，在放大鏡下觀察，這個帶有密密麻麻紋理和元器件的綠板子才是芯片的真實面貌。
放大鏡下的芯片
我們知道了這個綠板子就是芯片，但是這個綠板子是什麼呢？
芯片又稱集成電路，是指通過一系列特定的加工工藝，將晶體管、二極管等有源器件和電阻、電容等無源元件按照一定電路連接起來，集成到半導體晶片上，封裝在一個外殼內，執行特定功能的電路。因為芯片主要由半導體器件構成，我們有時會說芯片是半導體元器件的統稱。
講到這裡相信大家都對芯片有了初步的認知，如果不清楚再向大家總結一遍：
- 芯片是一個綠油油的板子；
- 芯片是一個能執行特定功能的電路。
如果還是沒有概念，我只能勸你——多吃點核桃吧！
言歸正傳，芯片作為可以執行特定功能的電路最大的作用就是為各種機器、設備做數字信號的處理和運算。
手機：麒麟990、驍龍865等；
通訊：5G通訊芯片等；
計算機：CPU、內存、顯卡等。
現在，芯片不僅在工、民用電子設備如手機、電視機、計算機等方面得到廣泛的應用，同時在軍事、通訊等方面也得到廣泛的應用，已經成為現代信息社會的基石。說到這估計多少會有點懵!
電路還能做運算？
這是怎麼做到的？
容我慢慢道來。
前面說芯片主要由半導體器件構成，而其中最基礎也是最重要的半導體器件就是晶體管。晶體管作為一種可變電流開關，能夠基於輸入電壓控制輸出電流。以今天還大部分使用的PN結型晶體管為例。PN結形成原理大致如下：
我們拿出一塊本徵半導體（一種完全純淨的、結構完整的半導體晶體）硅，硅是什麼？就是沙子（二氧化硅）的主要成分，把沙子融化，然後還原就能把硅單質拿出來。
拿出單質硅之後，我往左側摻入少量三價元素雜質，比如硼，在右側摻入少量五價元素雜質，比如磷。
摻入雜質之後，因為硅的結構最外層有四個電子。硼原子只有三個價電子，它與周圍的硅原子形成共價鍵，因缺少一個電子，在晶體中便產生一個空位，當硼原子接受來自其他硅原子之間的共價鍵中的價電子時，就填補了這個空位，使硼原子成了不能移動的負離子，而原來的硅原子的共價鍵則因缺少一個電子，形成了空穴（空穴又稱電洞，空穴並不是真實存在的,指共價鍵上流失一個電子，最後在共價鍵上留下空位的現象），以空穴導電為主，我們稱之為P型半導體（空穴型半導體）。
磷原子則有五個價電子，它與周圍的硅原子形成共價鍵，就多出來一個電子，以電子導電為主，我們稱之為N型半導體（電子型半導體）。
當我們摻入雜質之後，p型半導體和N型半導體都具有了導電性，但由於根據N型半導體和P型半導體的特性，可知在它們的交界處就出現了電子和空穴的濃度差異，電子和空穴都要從濃度高的區域向濃度低的區域擴散，它們的擴散使原來交界處的電中性被破壞形成PN結。
PN結具有一個特性—單向導電性
當給PN外加電壓時，只有左側加正極右側加負極時電流才能流過，如果右側加正極、左側加負極電流是流不回來的。
二極管就是由一個PN結加上相應的電極引線及管殼封裝而成的。通過二極管（PN結）的單向導電性我們就可以實現一些功能，比如實現與門的功能。
與門是實現邏輯"乘"運算的電路，有兩個以上輸入端,一個輸出端。
只有當所有輸入端都是高電平（邏輯"1"）時,該電路輸出才是高電平（邏輯"1"）,否則輸出為低電平（邏輯"0"）。其二輸入與門的數學邏輯表達式：Y = AB，對應的真值表如下：
常見的邏輯門除了"與"門之外還有"或"門，"非"門，"異或"（也稱：互斥或）等等。常用邏輯門可以相互組合成"與非"門、"或非"門等甚至更為複雜的邏輯門運算。通過控制高、低電平（分別代表邏輯上的"真"與"假"或二進制當中的"1"和"0"），就可以實現邏輯運算。芯片的運算、處理方式大致就是如此。
與普通機械開關（如Relay、switch）不同，晶體管利用電信號來控制自身的開合，所以開關速度可以非常快，再加上單位面積內可放置的芯片數量極大， Intel 10nm處理器Core i3-8121U，晶體管密度達到了每平方毫米1.008億個，要注意的是單位是每平方毫米（等於0.01平方釐米），而且這裡的10nm不是指晶體管的大小，而是晶體管和晶體管之間導線連線的寬度，簡稱線寬，所以芯片才可以擁有非常快的計算速度。
本期內容就先到這裡，歡迎大家交流指正，關注簡讀AI，下期將和大家聊聊芯片的前世今生，看看芯片的發展演變之路。
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