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

集成電路(芯片)應用十分廣泛，種類很多，型號十分繁雜。只要出現(xiàn)新的應用需求，就會產(chǎn)生新的芯片。要描繪芯片大家族全貌，首先要對它進行分類。芯片的分類方法可以有許多種，例如按晶體管工作狀態(tài)、制造工藝、適用性、集成規(guī)模、功率大小、封裝形式、應用環(huán)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。

本文重點關注芯片中晶體管工作狀態(tài)和電信號種類，把芯片家族粗略劃分為數(shù)字電路芯片、模擬電路芯片和數(shù)模混合電路芯片、特種電路芯片四大類。

圖1.對芯片大家族的簡單分類

一、數(shù)字電路芯片

數(shù)字電路芯片主要用于計算機和邏輯控制領域，它的工作原理是通過晶體管控制電流的“開”和“關”，來表達數(shù)據(jù)或信息的“1”和“0”，或者表達邏輯判斷的“是”與“非”，所以數(shù)字電路也稱為開關電路或者邏輯電路。數(shù)字電路主要是由工作在開關狀態(tài)的晶體管組成的。因此，數(shù)字電路的規(guī)模大小由其中的晶體管多少來分類。數(shù)字電路芯片主要包括以下7類。

1.邏輯電路(包括與門、或門、非門、鎖存器、移位器、計數(shù)器、編碼器、譯碼器、選擇器、比較器、運算器等)：邏輯電路芯片國際通用系列有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(shù)、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。這么多系列加起來，僅僅邏輯電路芯片就已經(jīng)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。與門電路用于“幾個輸入條件同時存在才有結果，否則就無結果”的判斷；或門電路用于“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；非門電路用于“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，就可以處理非常復雜的控制和運算問題。

圖2.三種最基本的邏輯芯片

理論上，數(shù)量龐大的邏輯電路芯片可以實現(xiàn)目前所有復雜芯片的功能，例如中央處理器(CPU)、微控制器(MCU)、片上系統(tǒng)(SoC)等，更甚者可以實現(xiàn)一個復雜系統(tǒng)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，甚至更多的芯片。早期的電子產(chǎn)品都是這么干的，但今天不需要這么干了。因為今天芯片的集成度很高，許多自成系統(tǒng)的邏輯電路可以集成在芯片內(nèi)部，一個芯片可以實現(xiàn)很復雜的功能，例如CPU，也可以實現(xiàn)一個完整的系統(tǒng)，例如SoC。所以，今天沒有人愿意用大量小芯片實現(xiàn)大系統(tǒng)，因為那樣做出來的系統(tǒng)體積很大、可靠性很差、成本也很高。

圖3.一些組合邏輯電路芯片舉例

今天的邏輯電路芯片用量已經(jīng)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。今天的邏輯電路芯片僅用在小電子產(chǎn)品中，或者用在大系統(tǒng)的通用大芯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(shù)據(jù)和信息處理系統(tǒng)。它是規(guī)模最大、結構最復雜的一類數(shù)字電路芯片。(按照通用處理器芯片上可以集成100多億只晶體管計算，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(guī)模集成電路。

通用處理器芯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(chǎn)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(shù)十個系列。每個系列已生產(chǎn)了20～30多個芯片型號，每個型號的市場平均壽命在2年左右。

圖4.一些通用處理器芯片舉例

通用處理器被稱為電子產(chǎn)品和信息系統(tǒng)的大腦和中樞。中央處理器(CPU)用于管理、調(diào)度和控制電子產(chǎn)品和信息系統(tǒng)各組成部分協(xié)調(diào)高效工作；圖像處理器(GPU)接受CPU管理，但可以獨立管理、調(diào)度和控制有關圖像顯示、圖形處理的事務；數(shù)字信號處理器(DSP)也接受CPU管理，但可以獨立完成大量、成批和規(guī)整的數(shù)據(jù)和信息的快速運算和處理；隨著人工智能技術快速發(fā)展，傳統(tǒng)的CPU結構不能適應人工智能系統(tǒng)對信息存儲、運算和推理的要求，新型處理器結構創(chuàng)新產(chǎn)品應運而生，百花齊放。這就是人工智能處理器(APU)，代表產(chǎn)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)：存儲器是用于存儲數(shù)據(jù)和信息的芯片。其中，可細分為靜態(tài)存儲器(SRAM)、動態(tài)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用于電子產(chǎn)品中存儲數(shù)據(jù)，在通電過程保持數(shù)據(jù)不變，斷電后數(shù)據(jù)丟失；DRAM在通電過程中通過定時刷新保持數(shù)據(jù)不變，斷電后數(shù)據(jù)丟失；Flash在通電過程中保持數(shù)據(jù)不變，斷電也不丟失；PROM一旦用特殊手段寫入數(shù)據(jù)后，不論通電與否都不會丟失。前兩種稱為易失性存儲器，后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芯片，也可以設計在CPU、MCU、SoC之中,也被稱為嵌入式存儲器。

圖5.一些存儲器芯片舉例

根據(jù)用途不同，要選擇使用不同的存儲器，例如，臺式電腦斷電后數(shù)據(jù)一般保存在硬盤上，所以大量采用DRAM(DDR、LPDDRX等)，而手機為了永久保持數(shù)據(jù)(如通信錄、照片、音視頻等)，就要大量使用Flash芯片。

4.單片系統(tǒng)(SoC)：單片系統(tǒng)就是把一個電子系統(tǒng)全部集成到一顆芯片中。只要給SoC芯片加上電源和少量外部電路，就可以實現(xiàn)一個完整的電子產(chǎn)品或系統(tǒng)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芯片加少量外部元器件來實現(xiàn)。SoC芯片內(nèi)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芯片是面向具體應用領域而設計的專用系統(tǒng)級芯片，例如用在醫(yī)療設備、汽車電子、抄表系統(tǒng)、智能手機、智慧電視等領域，都有適合該領域應用的SoC芯片。SoC芯片不像CPU芯片那樣可以跨領域通用，只能在本應用領域內(nèi)使用。

圖6.一些面向應用的SoC芯片舉例

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(xiàn)在幾個方面，包括處理字寬、處理器和指令架構、內(nèi)存大小、時鐘速度等。MCU一般用在較簡單的、小型的電子產(chǎn)品或系統(tǒng)中，實現(xiàn)簡單的控制和數(shù)據(jù)處理任務，但在大型系統(tǒng)中，也可以用許多MCU完成復雜的控制任務。MCU芯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(yè)自動化生產(chǎn)線等的控制，再到大型應用例如高鐵、飛機等的系統(tǒng)控制等。

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

MCU的種類特別多，主要產(chǎn)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(guī)格，12T的芯片有8051、8031、AT89C51、8032等；6T的芯片有STC89系列等；4T的芯片有80C320、W77E58等；1T的芯片有STC系列等。同時又有不同的廠家和品牌，芯片型號非常多。

圖7. 一些MCU芯片舉例

6.定制電路(ASIC)：如果用戶不想使用通用芯片，而是按自己的應用要求定制一款芯片，這種芯片就稱為全定制芯片。二代身份證芯片就是典型的ASIC例子。有些整機廠商為自己的產(chǎn)品定制ASIC，避免采用通用芯片，一是為了保護產(chǎn)品的技術細節(jié)和訣竅，二是ASIC會更加適合自己產(chǎn)品的需要，三是只要產(chǎn)品能上量，就可以攤薄ASIC高昂的定制費用。

圖8.一些ASIC芯片舉例

7.可編程邏輯器件(PLD) (包括PLD、PAL、GAL、FPGA等)：前面第1～6類芯片被稱固定邏輯電路芯片，它們從代工廠生產(chǎn)出來后，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(chǎn)。修改和重新生產(chǎn)的成本是很高的，只有需求量很大的芯片才按照固定邏輯電路的模式進行開發(fā)。需求數(shù)量少、有更新和升級可能的芯片，需要按照可編程邏輯器件的模式進行開發(fā)。

可編程邏輯器件(PLD)由工廠生產(chǎn)出來后，其功能還沒有確定，需要設計人員按需求進行編程后，芯片才能表現(xiàn)出想要的功能。而且某些種類的PLD芯片還可以進行多次編程，十分適合要對芯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于通用芯片，廠家可以批量生產(chǎn)，滿足不同領域的應用需求。而在編程之后就變成了專用芯片，只滿足某個具體領域的特殊應用。因此，PLD芯片也稱為半定制芯片。

圖9.一些可編程邏輯器件芯片舉例

目前應用最廣的是現(xiàn)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(jiān)控、自動控制、人工智能、軍工與航天等領域，以及芯片設計的原型驗證、算法與嵌入式系統(tǒng)開發(fā)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和編程后的PLD都是專用定制芯片。但它們有以下區(qū)別，一是前者是交由設計者和制造廠去定制，后者是自己編程定制；二是前者生產(chǎn)處理后，芯片功能不能改動，后者經(jīng)編程后，芯片功能還可以完善和升級。三是前者生產(chǎn)定制代價很高，需要產(chǎn)品上量才行，后者定制成本很低，適合在小批量產(chǎn)品上使用。

二、模擬電路芯片

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晶體管外，還包括二極管、電阻、電容和電感等。其中，晶體管大多數(shù)不是像數(shù)字電路一樣工作在開關狀態(tài)，而是工作在線性狀態(tài)。模擬電路芯片功能很多，種類也很多，很難成系列。與數(shù)字電路相比，模擬電路芯片的設計難度更大，需要更長時間的技術積累，對設計人員的要求更高。因此，模擬電路芯片和系統(tǒng)的設計人員的薪酬更高。

說明：這部分芯片舉例圖中給出了芯片的內(nèi)部結構圖，看似復雜，其實比數(shù)字芯片(例如CPU、GPU等)規(guī)模小很多，數(shù)字芯片中的晶體管數(shù)量多達數(shù)百～上百億只，無法畫出晶體管級的結構，只能畫出大的功能模塊。不要誤認為模擬芯片比數(shù)字芯片結構復雜。

1.分立器件和模組(二極管、三極管、MOSFET、IGBT等)：這些器件和模組也是采用集成電路平面工藝制作而成，雖然封裝成器件和模組的形式，外觀不像一般的芯片，但它們也屬于集成電路的范疇。分立器件內(nèi)部的元件數(shù)量極少，但在設計和制造時，對其中元件參數(shù)的把控極其講究。不像數(shù)字電路以功能為王，所有模擬電路都是以參數(shù)和性能為王。

圖10.一些分立器件和模組舉例

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

圖11.一些電源芯片舉例

3.信號檢測電路：用于檢測微弱的電信號，經(jīng)過濾波、放大等多種前端處理后，變成便于處理的大信號、或者數(shù)字信號。

圖12.一些信號檢測芯片舉例

4.濾波器：濾波電路用于信號的提取、變換或抗干擾。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，濾波器芯片一般是有源濾波器。

圖13.一些濾波器芯片舉例

5.轉(zhuǎn)換電路：轉(zhuǎn)換電路用于把電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號或?qū)㈦妷盒盘栟D(zhuǎn)換為電流信號；或者將直流信號轉(zhuǎn)換為交流信號或?qū)⒔涣餍盘栟D(zhuǎn)換為直流信號；或者將直流電壓轉(zhuǎn)換成與之成正比的頻率等。開關電源、穩(wěn)壓電路、電平轉(zhuǎn)換、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路(ADC/DAC)等也是轉(zhuǎn)換電路。ADC/DAC屬于數(shù)模混合電路，故放在第三部分介紹。

圖14.一些轉(zhuǎn)換電路芯片舉例

6.信號發(fā)生器：信號發(fā)生電路用于產(chǎn)生正弦波、矩形波、三角波、鋸齒波等。它主要包括各種函數(shù)信號發(fā)生器，特殊頻率、波形和脈沖信號發(fā)生器等。根據(jù)應用需要，信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號種類也在不斷增加中。

圖15.一些信號發(fā)生器芯片舉例

7.放大器：放大電路用于對信號的電壓、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)等十多種放大器。而且根據(jù)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16.一些放大器芯片舉例

三、數(shù)模混合電路

1.模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC、DAC)：模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)芯片是現(xiàn)實世界與數(shù)字世界的電路接口，沒有這些芯片就沒有今天的數(shù)字化世界。這類芯片從通道數(shù)量、轉(zhuǎn)換位寬、轉(zhuǎn)換速率、精度等方面，可以有許多細分品種，芯片型號非常多。

圖17.一些ADC和DAC芯片舉例

2.光電轉(zhuǎn)換電路：光電轉(zhuǎn)換芯片是實現(xiàn)光通信和光電系統(tǒng)不可或缺的芯片種類。包括光電耦合器件、光電探測器二極管、光敏三極管、光敏電阻器等。

圖18.一些光電轉(zhuǎn)換電路芯片和器件舉例

3.基帶電路：手機基帶芯片主要由微處理器、信道編碼器、數(shù)字信號處理器、調(diào)制解調(diào)器和接口模塊組成。它用來合成即將發(fā)射的基帶信號，或?qū)邮盏降幕鶐盘栠M行解碼。目前，基帶芯片只有高通、英特爾、三星、華為、聯(lián)發(fā)科、展訊、中興等少數(shù)公司可以設計生產(chǎn)。

圖19.一些基帶芯片舉例

4.調(diào)制解調(diào)器：調(diào)制解調(diào)芯片是實現(xiàn)調(diào)制、解調(diào)、或者二者兼而有之功能的芯片。調(diào)制是把變化著的基帶信號轉(zhuǎn)成對應變化著的載波的幅度(調(diào)幅)、或頻率(調(diào)頻)、或相位(調(diào)相)等模擬量。解調(diào)是把變化著的載波的幅度(調(diào)幅)、或頻率(調(diào)頻)、或相位(調(diào)相)等模擬量轉(zhuǎn)成對應變化著的基帶信號。調(diào)制解調(diào)芯片在無線電收發(fā)報機、無線廣播電視、無線通信、寬帶網(wǎng)絡和光纖網(wǎng)絡等方面廣泛應用。

圖20.一些調(diào)制解調(diào)芯片舉例

5.接口電路：接口電路是芯片內(nèi)部件之間、芯片之間、芯片與外界之間、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的連接和轉(zhuǎn)換的電路，它承擔著系統(tǒng)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21.一些接口電路芯片舉例

7.傳感器：傳感器用來測量和感知現(xiàn)實世界中的各種物理量，例如磁力、運動、壓力、溫度、濕度、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芯片的形式存在，即使有芯片也是封裝在器件之內(nèi)。

圖22.一些傳感器芯片舉例

8.驅(qū)動器：驅(qū)動器芯片和器件的細分種類很多，從小到數(shù)碼管、LCD和LED顯驅(qū)動，中到電機驅(qū)動、半導體照明驅(qū)動，大到電力開關驅(qū)動、電動汽車和機車動力驅(qū)動，細分種類很雜，數(shù)量很多。

圖23.一些驅(qū)動器芯片舉例

四、特種電路芯片

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

圖24.一些軍工宇航級芯片舉例

2.射頻功率電路：人們不斷追求無線通信速度和質(zhì)量，對無線傳輸?shù)纳漕l功率電路芯片和器件提出了嚴苛的要求。而且這些芯片和器件屬于模擬電路，可以說它們是芯片皇冠上的明珠，只有靠長期研發(fā)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芯片和器件舉例

3.超高壓大功率電路：硅功率器件由于價格較便宜，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等寬禁帶材料制作的芯片和器件。

圖26.一些超高壓大功率電路芯片和器件舉例

結語：文中的分類是粗略和大概地劃分，舉例的芯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，粗略勾畫出芯片大家族的“容貌”，希望對您了解芯片有所幫助。

責任編輯：xj

原文標題：【芯論語】為集成電路(芯片)大家族“拍攝全家福”

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