第31章 芯片早晚會有的
芯片與人工智能之前又有何聯繫呢？
1. 芯片定義
1.1 芯片與集成電路的關係
芯片，也被稱為微芯片或集成電路（ic），是指通過特定的工藝流程在半導體材料上集成了大量電子元件（如晶體管、電阻、電容等）的微型結構。在半導體行業中，芯片和集成電路這兩個術語經常被交替使用，儘管從嚴格的定義上講，集成電路是一個更廣泛的概念，涵蓋了芯片的設計、製造和封裝測試等全過程，而芯片則特指集成電路的物理載體。
根據市場研究數據，集成電路的市場規模在2023年預計將達到5000億美元，其中芯片作為集成電路的主要表現形式，佔據了市場的絕大部分份額。隨著技術的不斷進步，芯片的集成度不斷提高，從早期的ssi（小規模集成電路）、msi（中規模集成電路）發展到lsi（大規模集成電路）和vlsi（超大規模集成電路），集成度的提高使得單個芯片上可以集成數十億個晶體管，極大地推動了電子設備的性能提升和小型化。
1.2 芯片的功能與應用
芯片的功能和應用非常廣泛，它們是現代電子設備中不可或缺的核心部件。根據不同的功能，芯片可以分為以下幾類：
處理芯片：如cpu（中央處理器）和gpu（圖形處理器），負責執行復雜的計算任務和圖形渲染。
存儲芯片：如dram（動態隨機存取存儲器）和nand閃存，用於數據的存儲和快速訪問。
通信芯片：如基帶芯片和射頻芯片，負責設備的無線通信功能。
傳感器芯片：如mems（微電機系統）傳感器，用於檢測環境變量如溫度、壓力等。
根據gartner的報告，全球芯片市場在2022年的銷售額達到了6000億美元，其中智能手機、個人電腦和服務器是芯片最大的應用市場。隨著物聯網（iot）、人工智能（ai）和自動駕駛等新興技術的發展，芯片的應用領域將進一步擴大，預計到2025年，全球芯片市場規模將超過7000億美元。
此外，芯片在各個領域的應用也推動了相關行業的創新和發展。例如，在汽車行業中，隨著電動汽車和自動駕駛技術的發展，對高性能芯片的需求日益增長。據估計，到2030年，汽車芯片的市場規模將達到1000億美元，佔整個芯片市場的近15%。在工業自動化和醫療設備領域，芯片的應用也極大地提高了設備的智能化水平和處理能力。
2. 芯片技術組成
2.1 設計與製造工藝
芯片的設計和製造工藝是芯片技術的核心組成部分，涵蓋了從概念設計到最終產品的全過程。設計過程通常開始於規格定義，接著是邏輯設計、電路設計、佈局和佈線等步驟。製造工藝則包括晶圓製備、光刻、蝕刻、離子注入、化學氣相沉積(cvd)、物理氣相沉積(pvd)、化學機械拋光(cmp)等關鍵步驟。
設計過程：根據ieee的報告，設計一顆複雜的芯片可能需要數百名工程師花費數年時間。設計過程需要大量的計算資源和專業的eda（電子設計自動化）工具，如cadence和synopsys提供的設計軟件。設計階段的投資巨大，據估計，設計一顆高端芯片的成本可能高達數億美元。
製造工藝：芯片的製造工藝不斷進步，目前最先進的工藝已經達到5納米甚至3納米節點。臺積電(tsmc)和三星是這一領域的領導者，他們通過不斷研發新的製造技術，如極紫外(euv)光刻技術，來實現更高的晶體管集成度和性能提升。這些先進工藝的開發需要數十億美元的投資。
性能與成本：隨著製造工藝的進步，芯片的性能得到了顯著提升，同時功耗降低。然而，製造成本也隨之增加。根據ibs的報告，使用最先進的工藝製造芯片的成本每兩年翻一番。這種成本的增加部分是由於所需設備的高昂價格，以及研發和材料成本的上升。
2.2 封裝技術
封裝是芯片製造的最後階段，它不僅保護了芯片免受物理損害，還提供了電氣連接到外部電路的接口。隨著技術的發展，封裝技術也在不斷進步，以滿足更高的性能和更小的尺寸要求。
傳統封裝：如dip（雙列直插式封裝）、qfp（四邊扁平封裝）、bga（球柵陣列封裝）等，這些封裝技術已經成熟，被廣泛應用於各種電子產品中。根據yole的報告，傳統封裝市場在2023年的規模約為300億美元。
先進封裝：隨著對更高性能和更小尺寸的追求，先進封裝技術如2.5d、3d堆疊、扇出型封裝、嵌入式芯片(emib)等應運而生。這些技術允許多個芯片或芯片層垂直堆疊，以實現更高的集成度和更快的數據傳輸速度。例如，英特爾的emib技術和臺積電的info技術都是這一領域的創新代表。
封裝材料：封裝材料的選擇對芯片的性能和可靠性至關重要。傳統的封裝材料包括塑料、陶瓷和玻璃，而新型材料如硅基板和特種聚合物正在被開發以滿足更高的性能要求。材料的選擇會影響熱管理、電性能和機械穩定性。
封裝測試：封裝完成後，芯片需要經過一系列的測試以確保其性能和可靠性。這些測試包括電性能測試、熱性能測試和機械性能測試。根據市場研究，封裝測試市場在2023年的規模約為200億美元，隨著芯片複雜性的增加，這一市場預計將繼續增長。