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开篇词 | 为什么你一定要了解芯片行业

01 | 核心概念：从晶体管到集成电路到摩尔定律

芯片和半导体是同一个事物的两个名字，芯片是半导体产业的产品，半导体是用来做芯片的材料。这个行业，通俗一点，就叫芯片行业，学术一点就叫半导体行业，相当于土豆和马铃薯的区别。
半导体产业是电子产业的一个分支。如果你想入行，可以读电子工程系的微电子专业，或者集成电路专业，前者毕业可以从事芯片制造，后者毕业可以从事芯片设计。

你听到我说 28nm、20nm、14nm、10nm、7nm、5nm 这组数字的时候，你心中或许有疑问，为什么选这些数字？有什么规律么？你问到重点了。基本上这是个相邻两个数字差 0.7 倍的数字序列，你看，10nmx0.7=7nm，7nmx0.7≈5nm，都是这样的规律。如果把晶体管的特征尺寸理解成正方形的边长，边长缩小 0.7 倍，0.7x0.7=0.49，那么一个正方形的面积就相当于小了一半。
这种相差 0.7 倍的数字序列，想表达的意思就是，在 5nm 制造工艺下，晶体管的体积应该是前一代 7nm 工艺的一半，换另一个数据来说就是晶体管密度可以高一倍

  1. 电子管开创了电子时代，人类的第一台计算机是拿电子管搭建的。半导体晶体管，复刻了电子管的所有功能，但是点开了“可以持续缩小体积”的科技树，即集成电路。
  2. 晶体管，集成电路，这是半导体行业的两个基础发明，有两项诺贝尔奖加持。
  3. 摩尔定律的背后推手是晶体管尺寸的不断缩小，因此单位面积可以集成的晶体管数目在不断增多。摩尔定律对电子行业的影响就是微处理器的性能每隔 2 年提高一倍，或价格下降一半，再向设备侧延展，就是相同价格所买的电脑，性能每隔 2 年增加一倍。

02 | 从一部iPhone手机看芯片的分类

芯片和集成电路是什么关系？
芯片肯定不全是集成电路。芯片里面，大约只有 80% 属于集成电路，其余的都是光电器件、传感器和分立器件，行业内把这些器件称为 O-S-D（Optoelectronic, Sensor, Discrete）。
集成电路你已经学过了，它是由大量晶体管组成的
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  1. 在半导体行业中，超过 80% 的产品是集成电路芯片，因此我们在日常中常把芯片、半导体、集成电路三者混用。但其实，集成电路之外，半导体产品还有光电器件、传感器和分立器件，行业内称为 O-S-D；
  2. 集成电路芯片主要分为数字 IC 和模拟 IC，数字 IC 强调运算速度，模拟 IC 强调高信噪比、低失真、低耗电和高稳定性，生命周期更长；论销售额，数字芯片有绝对优势，但是如果论出货量，模拟芯片量大过数字芯片。
  3. 数字 IC 中主要就是 CPU 处理器和存储器。CPU 是重中之重，行业明珠的地位。无论是 Intel，还是苹果，都是靠 CPU 站在行业第一的位置的。
  4. 一部 iPhone 手机，基本上用到了半导体产品的全部种类。一部小小的手机，是整个行业的缩影。选车要看发动机，我希望你在选择下一部手机的时候，也能看看它的芯片。

03 | 芯片设计：一颗芯片到底是如何诞生的（上）

你一定要记住这张图，基本上它对所有的电子设备，从指纹密码锁，到手机、PC、服务器，甚至超级计算机，都是适用的。
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如果只看芯片设计，它主要包含需求分析、架构设计、逻辑设计、物理实现和验证等几个部分。
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如果说芯片项目和其他产品项目有什么不同，那就是芯片项目是人类历史上最细微也是最宏大的工程，研发投入大，项目收益高，试错成本极高。

需求分析

在芯片公司发现市场需求之后，通常会进行市场调查，总结出一个通用的市场需求清单出来。一般这个需求清单，会包括主要应用场景分析、软件栈、竞争分析、性能与定位、需求量与投资回报比分析、行规与标准，主要配套芯片的市场供应情况预测等多项内容。最终形成的就是一份市场需求文档。

架构设计

一个项目是否有商业价值，主要看需求分析。而一个芯片是否做得好，80% 是由架构设计决定的。
在拿到需求分析文档后，高层设计人员，往往是以架构师为主的团队，需要开会对产品需求逐条进行可行性分析，并在此基础上确定基本架构和模块分解，最终设计出一个系统架构。
在基本架构确定之后，芯片的大目标，就是对 Power 功耗、 Performance 性能、Area 面积，也就是业内常提到的 PPA 衡量标准，要有明确的规划，这一般也就确定了要选择的制造工厂和工艺制程。
到架构设计这一步，最终输出的就是一份产品规格书和高层架构设计文档。这是一个将市场需求，翻译为可实现的芯片架构过程。
有了一个可行的芯片设计方案和芯片原型模型之后，架构团队就可以把文档和芯片模型移交给设计团队，开始逻辑设计。

逻辑设计

前端设计与验证

前端设计（逻辑设计）一般用硬件描述语言，例如 Verilog，将架构师的设计用编码实现。其实硬件描述语言，看起来跟 C 语言颇为类似，不过写 C 语言的人，心里想着“hello world”，写 Verilog HDL 的人，心里想着电路图。

跟其它的软件项目一样，在设计的同时，验证也要并行进行。验证是芯片设计中最为耗时耗力的工序，ARM 的技术白皮书有统计，一般一个项目的 40% 资源是用在验证阶段的。

逻辑综合

设计验证完成之后，还有一个步骤，叫逻辑综合 （Logic Synthesis），就是用 EDA 工具把寄存器传输级设计 RTL 描述变网表（Netlist），非常类似于编译器把 C 语言翻译成机器语言的过程。从这一步开始，芯片的设计就和具体的晶圆代工厂和具体工艺绑定在一起，设计开始具有物理特征了。
网表表示的电路如下图，它其实就是描述电路元件相互之间的连接关系。

DFT（可测试性设计）

除了以上两步，前端设计还有一个步骤就是 DFT（Design For Test）。所谓 DFT，就是预先规划并插入各种用于芯片测试的逻辑电路。芯片制造后期，在封测阶段中，很多测试需要依赖 DFT 的设计。

完成以上工作后，前端设计团队就可以将生成的网表交给后端实现团队，开始物理设计了。当然这个过程不是一蹴而就的，前端设计工程师往往要多次，不同层次的反复综合、验证，各种设计规则检查，既要确保设计的正确性，又要保证设计的布局布线可行且优化。
整个逻辑设计阶段，你可以这样理解：架构师写在文档上的指标与功能，是需要设计团队通过一行行的代码实现出来的。

物理实现

在前端设计结束后，后端也就是物理实现需要完成布局布线，这个时候，需要把网表转换成制造工厂可以看懂的文件，也就是转化为制造工厂可以用来制造光罩的图形文件。

后端设计的主要步骤可以总结为：布局规划 Floorplan→布局 Placement→时钟树综合 CTS→布线 Routing →物理验证。

布局规划就是在总体上确定各种电路的摆放位置，它是后端实现中最为重要的一个环节。芯片的面积、时序收敛、稳定性、走线难易，基本上都是受布局规划的影响。

规划之后，在指定区域摆放元器件，就是布局，而把各个元器件连接起来，就是布线。一颗芯片的树状的时钟信号线路非常重要，往往需要单独布线，因此还有一个专门的名称：时钟树综合。最后，要做验证。
我说得简单，其实这就是在指尖上建高楼，在小小的芯片上放置上百亿个晶体管，纳米级的单位，幸而有 EDA 工具辅助，这不是人力所及的工程。

一颗芯片做得好不好，在决策阶段取决于市场需求理解的是否深刻，在逻辑设计阶段取决于工程师的能力强不强，而在物理实现阶段基本取决于 EDA 工具玩得好不好。

物理设计完成之后就形成了下图展示的电路图。图中可以看到蓝、红等不同颜色，每种颜色就代表着一张光罩。这个时候的芯片设计就可以以 GDSII 的文件格式从设计公司移交给芯片代工厂了。自此，设计完成，制造流程开始。
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04 | 芯片制造：一颗芯片到底是如何诞生的（下）

对于整个芯片的制造过程，我给你分了三个步骤让你理解，包括上游的晶圆材料准备，中游的晶圆加工，和下游的封装与测试。

05 | Intel的发展史就是一部芯片行业的创新史（上）

06 | Intel的发展史就是一部芯片行业的创新史（下）

看 Intel 的历史，就是在看半导体行业竞争的关键点。我给你总结了 Intel 持续保持领先的几个关键因素，让你更好地理解在一个行业中，竞争与发展的逻辑。