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小白问一个愚蠢的问题，芯片里有由成千上万的晶体管，为什么在网
2020-07-19 13:40阅读(65)
小白问一个愚蠢的问题，芯片里有由成千上万的晶体管，为什么在网上搜索晶体管图片都非常大？:长久以来我们一直都闯入了一个误区：认为晶体管是越做越� Ｆ涫挡煌
长久以来我们一直都闯入了一个误区：认为晶体管是越做越小。其实不完全是这样的。
晶体管是朝着2个方向发展的：
信息电子方向：将晶体管越做越小，越做越快。当今的电脑、手机、通信芯片等都属于这个范畴。
电力电子方向：将晶体管越做越大，越做越快。其代表产品就是IGBT，它广泛的应用于轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车、新能源装备等领域。
下图就是我们常见到的一些普通晶体管（仅展示部分，并非全部）。因为性能、封装的不同，所以它们会有不同的外观。
晶体管的作用
晶体管（Transistor）是一种固体半导体器件，包括二极管、三极管、场效应管、晶闸管等等，它具有检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制等多种功能。
晶体管作为一种可变电流开关，能够基于输入电压控制输出电流，与普通机械开关不同，晶体管利用电信号来控制自身的开合，所以开关速度可以非常快。
与电子管相比，晶体管具有更多的优越性：
1、晶体管构件没有消耗；
电子管会因为阴极原子的变化和慢性漏气而逐渐劣质化。晶体管的寿命一般比电子管长100到1000倍。
2、晶体管耗电能极少；
晶体管消耗的电能仅为电子管的十分之一或几十分之一。电子管需要加热灯丝产生自由电子，而晶体管不需要。一台晶体管收音机只需要几节干电池就可以听半年以上，电子管的收音机就很难做到。
3、晶体管不需要预热；
晶体管一开机就可以工作。电子管设备做不到这点，开机后需要等待一会。
4、晶体管结实可靠；
普通晶体管的体积只有电子管的十分之一到百分之一，放热很少，耐冲击，耐振动，可以说晶体管使电路小型化、集成化、大规模化成为了可能。
芯片的晶体管为什么越做越小？
芯片上集成了很多的晶体管，这些晶体管控制了很多电流，如果晶体管的尺寸逐渐变小的话，里面源极和漏极之间的那个沟道长度L也会相应的缩短，沟道长度变小后，晶体管就会有更快的反应速度，更低的控制电压。
但进入28nm后再按照以往的经验来缩减晶体管尺寸，将会失效。当沟道缩短到一定程度之后，在芯片里面就会因为量子的隧穿效应，此时晶体管关断。目前业内通过Fin-FET（鳍式场效应晶体管），SOI（在晶体管之间，加入绝缘物质）等技术来解决这个问题。
芯片做小后主要会有以下几个好处：
1、节能：晶体管大了，走的电路就越多，耗能就越大；晶体管做的越小，电流可以走更多捷径，多节能环保。
2、性能提高：晶体管越小，同一块芯片单位面积内能工作的晶体管更多了，性能就更好。
3、减少成本：芯片小了，一个硅片能做成更多的成品芯片，很大程序的降低了成本。
4、减少芯片占用空间：芯片做小了，我们的电脑、手机才可能做得更小、更薄。
所以芯片的趋势就是越做越小，越做性能越强。有种说法，当价格不变时，集成电路上能容纳的元器件的数目，约每隔18~24个月就会增加一倍，性能也将提升一倍，这就是有名的摩尔定律。所以芯片的进化，就是晶体管变小的过程。
电力电子晶体管为什么越做越大？
电力晶体管（Giant Transistor直译为巨型晶体管），是一种耐高电压、大电流的双极结型集体管（Bipolor Junction Transistor-BJT）。电力晶体管开关特性好，但驱动电路复杂，驱动功率大。
而IGBT，绝缘栅双极晶体管（Insulate-Gate Bipolar Transistor）也是三端器件（含栅极、集电极和发射极）。IGBT综合了电力晶体管（GTR）和电力场效应管的优点。
电力电子晶体管之所以会越做越大，得先看一下它的发展历史：
1957年，通用电气公司（General Electric）根据肖克利的“勾型”（就是PNPN四层晶闸管结构）晶体管结构研制出第一个300V/25A可控硅SCR（后来叫晶闸管）。可控硅能处理较高的电压电流，开辟了以处理能力为目的的电力电子的新领域。
1962年，GE公司研制出第一个600V/200A的GTO（可关断晶闸管），克服了普通可控硅不能门极控制关断的缺点。但GTO在实际应用中容易烧毁。
1974年，日本东芝等公司采用NTD单晶片并通过计算机模拟技术，在GTO研制上取得突破，生产出1200V/2000A的GTO。而越做越大的双极晶体管采用垂直结构、达林顿级联技术以及多元胞集成并联等技术已经做到了500V/200A/50（电流放大倍数hFE），此时已经称作GTR。
因MOS集成电路在20世纪70年代末得到了飞速发展。1982年，CE公司的美籍印度人B.J.Baliga和Motorola公司几乎独自同时发明了IGBT。
1984年GE公司的V.A.K. Temple发明性能更为优越的MCT（H），在1991年商品化生产，但在20世纪90年代末因结构过于复杂成品率低而陷于停滞状态。
1972年，日本人西泽润一采用JFET结构研制出了静电感应晶体管及晶闸管SIT、SITH。
20世纪90年代初，日本三菱公司研制开发的以IGBT为基础的智能功率模块（IPM）经过十年的改进，也进入了成熟应用。
1995年，西门子公司首次推出了非穿通结构（Non Punch Through）的NPT-IGBT，这在技术上是一个里程碑。因为，NPT-IGBT技术可以使功率开关器件在高温可靠性、安全工作区、超高耐压、低成本、高开关性能等诸多方面同时得到显著提高。采用NPT-IGBT技术及GTO圆片工艺，目前已经可以做出6500V/600A的NPT-IGBT。
在20世纪80年代认为要大大发展的功率集成电路（PIC-Power Integrated Circuit）主要包括高压集成电路HVIC和智能功率集成电路（Smart Power IC）有所发展，但发展不快，应用范围也较小。
当今电力电子器件正朝着高可靠、高功率频率积、高集成化、高智能化、低成本化、高允许工作温度的方向发展。
从上图可见，如果没有电力电子晶体管，在宏观的世界里就不会带给我们带来这么多便利，芯片也很难越做越小。
晶体管不管是从微观和宏观的发展都改变了这个世界，促进了整个时代的发展。它是建设现代化信息社会的基石。
以上个人浅见，欢迎批评指正。喜欢的可以关注我，谢谢！
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问题：小白问一个愚蠢的问题，芯片里有由成千上万的晶体管，为什么在网上搜索晶体管图片都非常大？
回答：现在的CPU真的很小很小很小很小，但是网上的晶体管图片都非常大，因为大部分都是渲染图来的。
我们看到的当然是一块芯片的图片，但是有人用X光一照就能看到它的面积和分布图了。
实际上，麒麟990也只有指甲盖一样的大小的，比图中的还要小，然而这么小的面积中，竟然能够容纳了103亿颗晶体管。
那么，网上能够看到一根一根的晶体管的图，它们是真的把晶体管放大并且拍照吗？这个可能性不是没有，但是实际上更多的是渲染图。即使是专利图，也是做一个示意的而已。
（某个晶体管和半导体专利的示意图）
也就是说，大概的晶体管是怎么样的，然后根据设计的需求，觉得怎么好看，就怎么P，进行视觉渲染，这是方便宣传或者是教学的时候使用。
真正的晶体管并不是这样的！即使是通过专业的显微镜，放大了10万倍，实际上的情况跟我们网上的渲染图也是不一样的！
说白了，网上的晶体管的图，大部分都是为了好看，而P得很好看的。
因为小的拍不到图片。
现在CPU已经开始使用10nm的技术制造，虽然并不代表晶体管就是这么大，但是一粒灰尘都比晶体管大得多，这么小的尺寸基本上只能用电子显微镜才能看到，想要拍到应该只能在芯片还没封装的时候，在无尘室里才行。这应该只有cpu生产厂家内部才能拍到，决算他们内部有，这些图也不可能流传出来。
下面一张是40倍显微镜下的暴力拆解的CPU芯片图，型号是Pentium D 820，制程是90nm。
下面是一张800倍
完全看不出来这是晶体管，只有很多色彩斑斓的点，显然显微镜的放大倍数不够。估计万倍或者更高的放大倍数才能一窥真容。
晶体管有很多种，LED灯也是晶体管的一种，由于大规模集成电路里晶体管拍不到，所以平时搜索晶体管显示的都是像led灯这种相对较大的。
感谢您的阅读！
在麒麟990中，一块仅有113.31平方微米的地方，被放入了103亿颗晶体管，你可以在下图看到，麒麟990密密麻麻的晶体管。
而晶体管实际上我们是看不见的，只能通过用高倍电子显微镜放大10万倍才能够看到，这就是为什么我们知道晶体管看似很小，拍出来的效果很大。晶体管的低成本、灵活性和可靠性强：下图是三栅极晶体管。
实际上，在之前，有一家叫做Cerebras Systems的公司发布的世界最大芯片“WSE”：
这是由台积电16nm工艺制造，并且它还拥有46225平方毫米面积、1.2万亿个晶体管、40万个AI核心、18GB SRAM缓存、9PB/s内存带宽、100Pb/s互连带宽，功耗也高达15千瓦。
所以，别看芯片小，更别小看晶体管，它们的层级排序，所以能够更好的带来性能优势。未来，即使3nm的工艺节点，也会存在问题。
总结下：能够拍摄出极大晶体管，主要是因为在特殊设备下，可能是显微镜等等。当然，知道也没有意义，处理器的能力不仅仅一个晶体管发挥的，还是其他方面，比如CPU或者GPU 的能力等等。
华为的麒麟990处理器，采用了7nm工艺制程，集成了103亿个晶体管。这103亿个晶体管密密麻麻的分不到只有指甲盖大小的手机Soc中（14mm*14mm）。比拇指还小的芯片集成了上亿个晶体管，那么小的晶体管是什么样子的呢？下文具体说一说。
一个晶体管的结构
晶体管主要由源极（Source）、漏极（Drain）、栅极（Gate）组成，大体结构如下图所示▼。
集体管工作时，电流从源极（Source）流入漏极（Drain），栅极（Gate）相当于闸门，负责控制两端源极和漏极的通断。电流会损耗，栅极的宽度就决定了电流通过时的损耗，直观的表现就是手机的发热和功耗，栅极的宽度越窄，功耗越低。
栅极的宽度，就是我们经常听说的XX nm制程工艺，比如麒麟990采用了台积电7nm制程工艺。
手机处理器
简单说一下手机处理器，即Soc。处理器不仅包含了CPU，还包括了GPU、DSP、ISP、内存控制器、基带等等，而这些都集成到指甲壳大小的芯片中：
CPU单核性能决定了程序打开速度，苹果手机的A处理器单核性能可以说“天下无敌”了；
GPU性能决定了游戏帧数，高分辨率显示输出，如果GPU性能差，那么大型游戏就会卡顿；
ISP性能决定了拍照的画质和体验，典型的例子就是MTK的处理器，拍照画质一般；
WiFi模块决定了手机无线速率和稳定性，大部分手机仅支持双通道；
LTE性能决定了4G上网的速度，信号的稳定性，苹果手机是个例外，没有自己的基带，集成了英特尔基带的iphone xs系列手机频繁出问题。
总之，网上看到的芯片图片，能看到晶体管的布局，都是在显微镜下看到的，放到了几十万倍的结果。指甲壳的芯片集成了上亿颗晶体管，包含了CPU、GPU、ISP、基带等模块，各个模块之间可以高速通信。
如果觉得对你有帮助，可以多多点赞哦，也可以随手点个关注哦，谢谢。
晶体管是一个很大的类型，样子千差万别，尺寸更是多种多样，芯片里的晶体管尺寸是纳米级别，题主网上搜索到的晶体管（如下图），属于分立元件，就是独立的零件，尺寸较大，单个制作成本较高（相对于纳米级别晶体管），但制作技术较低。
这种晶体管作为零配件焊接到电路板上，可以用肉眼看到，常用在较大功率（相对于芯片内集成的晶体管）、比较简单、低成本的电路设计上，如下图。下图中的三极管就是晶体管。
芯片内集成的晶体管具有尺寸极小（见下图）、功耗极低、制作技术较高（纳米级别的需要光刻），但因为规模效应，一个芯片内常常集成数以亿计的晶体管，所以分摊到每个晶体管上，制作成本又极低，比印刷一个字符还便宜。
成本有多低呢？苹果A13芯片集成了85亿个晶体管，成本64美元，按现有汇率计算，约合人民币448元，平均每个晶体管成本为0.00000527059分钱，而一个分立元件晶体管，便宜的每个要几分钱，贵的则要好几元，比芯片集成的晶体管贵差不多10万倍。
不过，无论晶体管价格、尺寸差别有多大，它们的原理都一样，都有栅极、源极和漏极（如下图），这三个极即使在尺寸较大、肉眼可见（第一幅图的）的晶体管也看不到，它们被封装到陶瓷、塑料或金属批帽中，我们能看到的是连接它们的三个引脚。
芯片的世界神奇、伟大，由于它是现代工业世界的面包，所以成为大国竞技的筹码。对此感兴趣，可以关注我阅读头条专栏《大国芯片战争之狂野硅谷》，从晶体管发明讲起，全面展示大国间为芯片展开的高科技战争，以及台前幕后精彩故事，可提升自身知识价值维度，了解当今高科技世界运作秘密，加强自身社会适应力。
原创回答，搬运必究。
很好理解！你在网上看到的晶体管我们称为分立元件，要安装电路板使用的，所以必须有安全的封装，体积很大。
而我们常说的芯片属于集成电路，顾名思义！把大数量的微晶体管集成到一个小芯片里，下图为一款芯片的内部设计图，密密麻麻、层层叠叠！当然这就不可能一个个的做了，所以就有了光刻等等技术。
用一种简单的描述：就是一个硅片，然后在上面做光刻，接着做腐蚀，上面做沉积，然后在上面做离子注入，等等最后才是切割、封装。然后形成各种各样的芯片，见上图。
而这个密密麻麻的晶体管数量，专业名称叫MTr/mm2，即每平方毫米X百万个晶体管表，上图是不是很恐怖？体积就太小了。
按照摩尔定律：每隔 18~24 个月，集成电路上可容纳的元器件数目便会增加一倍，芯片的性能也会随之翻一番。
2020年伊始，台积电、三星已经完成了奔向 5nm、3nm，台积电在中国台湾的第一家3nm工厂将于2021年投产。
即将发布的apple A14芯片，采用了5纳米工艺，拥有125亿个晶体管。
就是这么简单！您理解了吗？
我是电子及工控技术，我来回答这个问题。我们经常在网络上搜索看到的晶体管都是分立元件制作的半导体器件，这种器件的特点是可以加载较高的电压和较大的电流，比较典型的晶体管有流控型的三极管和压控型的场效应管。而芯片里确实有成千上万的晶体管但是这两者的制作工艺和制作方法是截然不同的，下面我与朋友们简要说说两者的体积如何差距如此之大。
先说说晶体管的制作，由于刚才讲过分立元件的晶体管是一种以小电流控制大电流或者以低电压控制大电压的器件，比如晶体管有的用几伏的电压去控制几十伏的电压甚至上百伏的电压。这就要求就要用一种特殊的加工工艺设法使N型半导体和P型半导体结合在一起，构成一个面型的PN结这样才能经得住大电流或者高电压的“考验”。这种使PN结能够结合在一起的方法一般用“扩散法”进行结合。这样一来单个的晶体管必须有一定的体积才能承受住如此的“考验”。另一个方面这些PN结在流经大电流的时候会发热，特别是大功率的晶体管还需要有金属散热片帮它去“降温”。鉴于以上两点分立晶体管在制造时必须要有一定的体积才能确保使用的稳定性和安全性。
接下来再说说芯片里的晶体管为什么这么小，我们先从宏观来讲，芯片一般都是作为控制用的大规模集成电路，集成在芯片内的晶体管一般都是在弱电压和小电流的环境中工作，比如有的整个芯片采用三点几伏的电压。它们所形成的PN结都是点接触的。这在制作工艺和结构上就决定了芯片里的晶体管可以做的非常小。这种非常小的晶体管需要经过许多道的工序才能“修成”正果。一般都要经过硅单晶的制作、硅晶片的制作与处理、氧化膜的制作、光刻与刻蚀、参杂、分片、结合最后再封装。这样经过一整套的工艺加工流程最后才能形成小如“尘埃”的晶体管。
由此可见由于是制造工艺和方法的不同以及它们在电路中使用的场合和作用不同决定了其体积的不一样。
以上就是我对这个问题的看法，欢迎朋友们参与讨论，敬请关注电子及工控技术，感谢点赞。
真想不到，华为麒麟980处理器超越美国芯片，靠的竟然是这小小的晶体管。
我们都知道，在手机的结构中，处理器芯片是至关重要的一枚硬件。那你可知道，这枚处理器在手机中承担了哪些作用？
2019年，是我国5G通信发展的元年，在进入5G时代以后，手机处理器芯片不再仅仅承担以前运算处理和图形处理两大功能。从华为的麒麟990开始，它背负了第三大功能，那就是5G传输。很多人都知道，一枚处理器芯片的体积是非常小的。而在网上搜索到的晶体管图片大，那可能是在高倍显微镜下的放大照片，其目的只是为了让大家对其结构的了解更方便而已。
从第一颗真正意义的晶体管被发明出来，至今已经71年的时间。晶体管从一个庞然大物变成了如今的细如尘埃，其体积的变化同时促进着世界计算机工业的发展。晶体管的技术进步代表了世界先进生产力的发展史。
1948 年，马塔利和维尔克在法国发明了点接触式晶体管，第一台晶体管诞生（因体积大，单位为“台”）；
1950 年，日本的西泽润一和渡边宁发明了结式场效应晶体管(JFET)。1952 年，基于晶体管的助听器和收音机投入市场；
1954 年，贝尔实验室的坦恩鲍姆制备了第一个硅晶体管，同年开发了第一台晶体管化的计算机，1955 年，IBM公司开发了包含2000 个晶体管的商用计算机。
1959 年，仙童公司的诺伊斯(他后来创立了英特尔公司)用铝作为导电条制备集成电路。从此，集成电路的时代开始了。
1965年，仙童公司的摩尔提出了摩尔定律(Moore’s law)：集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18~24 个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。
摩尔定律的初衷，是基于之前晶体管发展进度的经验推算，没想到揭示了未来几十年芯片技术的发展速度。
在PC和手机中，晶体管的数量直接影响着运算速度。去年的华为麒麟980芯片一经发布即成为全球瞩目的焦点，正是因为其首发了全球第一颗使用7nm制程工艺的手机处理器，这颗处理器的晶体管数量达到了69亿个。
而今年发布的麒麟990处理器，更是在指甲盖大小的面积上，集成了103亿个晶体管。
看到这里，网友可能会问【“如果按照摩尔定律，会不会发展到针尖大小就能集成100多亿晶体管呢？”】，很遗憾的告诉你，可能做不到了。
因为从物理特性方面来讲，7nm是硅晶材质半导体的物理极限。在集成电路上，晶体管之间的源极和漏极基于硅元素连接。而一旦晶体管之间的栅长（间距）低于7nm，硅元素就会发生量子隧穿效应，而无法再保持其半导体的物理特性。针对此瓶颈问题，现在的科学界主要有两种解决方案：
1、将晶体管布置结构从水平变成垂直，建立层层相叠的多层电路。
2、研究更优质的元素来代替硅基晶体管：据美国科学家研究发现，碳纳米晶体管其性能大大超越现有的硅晶体管，它所通过的电量比硅晶体管高了1.9倍。
值得鼓舞的是，我国在突破晶体管技术瓶颈方面也走到了世界的前列，大有后来居上的势头。
在今年上半年，中国科学院微电子研究所专家表示，目前团队已经研发出了3nm晶体管。但是由于从研发成果转化到投入实际使用尚需漫长的道路。在此，还是期待中国的半导体工业早日跻身高端，走向世界。
谢谢您的问题。晶体管的设计是要求不断缩小的，网上的图片都是放大的。
无法想象的晶体管数量。晶片的性能提升必须要容纳更多的晶体管。英特尔公司推出的Stratix 10 GX 10M芯片，包含了433亿个晶体管。美国AI初创公司Cerebras Systems宣布自己研发了世界最大的芯片WSE，包含了1.2万亿个晶体管。全球超级计算机下一个时代将是E级超算，每秒将达到百亿亿次浮点运算，难以想象芯片会含有多少个晶体管。
不断压缩的晶体管体积。这里就会涉及nm工艺，nm实际上讲的是栅极的大小，也可以理解为栅长距离，包括28nm、14nm、7nm，距离尺寸越来越小，芯片的体积也会越来越小，工艺制程越来越高。由于栅极越短，电流流通越快，功耗和成本就越小，但是晶体管的数量还要不断增加以保证性能，所以晶体管的尺寸也要不断变小。而且，对于硅材料芯片，7nm似乎到了物理极限，需要研发新的材料，才有可能能装进更多的晶体管。
拍照片的问题。这是用特殊的仪器，比如电子显微镜放大1000倍，才能拍到晶体管的照片，放到网络上让大家学习观看。7nm是什么概念？肉眼能看到吗？也许就一粒灰尘。而且要想拍得清楚，必须在封装芯片之前。以后要想拍摄清楚晶体管，估计放大仪器也得升级。
欢迎关注，批评指正。
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