关于芯片的5个问题：深入解析微型电子世界

（本图片由图虫创意提供，仅供于科普中国平台使用）

你是否曾好奇过，当你轻点手机屏幕、使用智能设备时，那些看似简单的操作背后，究竟发生了什么？在这些电子设备内部，存在着一个微型的“数字宇宙”——芯片。它不仅是现代科技的核心部件，更是人类智慧的结晶。

今天，一起走进这个“微观世界”，揭开芯片的神秘面纱。让我们一起探索：芯片是如何运转的？它如何在极小的空间内完成复杂的计算？又是什么让这些看似冰冷的硅片成为了现代生活的“智慧核心”？

1. 指甲盖里的宇宙：一颗芯片有多少个晶体管？

大家不妨先猜一猜：在指甲盖大小的空间里，能装下多少个小到肉眼完全看不见的晶体管呢？

答案可能会让你大吃一惊——如今最先进的芯片，能塞进超过200亿个晶体管。

“芯片世界”（本图片由图虫创意提供，仅供于科普中国平台使用）

（1）晶体管是什么？

它就像微观世界的“电流开关”，通过通电或断电来表示“开”和“关”（即0和1），是所有计算和存储操作的最小单位。可以说，整个数字世界——从手机屏幕上的动画到AI的思考过程——都是由这数十亿个微小开关协同运作的结果。

（2）如何理解这个数量？

如果将一个芯片中的晶体管比作沙粒，那么一颗芯片所含的晶体管数量，甚至接近撒哈拉沙漠中所有沙子的数量（约200亿粒只是一小片沙地，但整个沙漠沙粒总数约7.5×10^18粒，而芯片晶体管已达2×10^10量级，规模仍在飞速增长）。

更直观地说，如果每个晶体管是一个人，那么一颗芯片中的“人口”，约是地球总人口的2.5倍还多。

而这所有的“宇宙级密度”，都被压缩在一枚比指甲盖还要小的硅片中——这就是现代半导体技术带来的奇迹。

晶体管就像芯片的“神经元”，它们负责开关信号，组成复杂的逻辑运算网络。打个比方：如果把每个晶体管都看成是一盏灯，那么一块高端芯片就是一座超级大城市，拥有上千亿盏灯，而且要做到同时有序地开开关关。

数字城市（本图片由图虫创意提供，仅供于科普中国平台使用） 所以说，一颗芯片就是“缩小版的宇宙”，越看越让人惊叹。

2. 芯片里的“时间守护者”：时钟信号如何指挥亿万晶体管？

在芯片的世界里，有一个“隐形的指挥家”——时钟信号。它像乐队里的节拍器，一秒钟能“滴答”几十亿次。每个晶体管都必须按照这个节奏动作，否则整个电路就会乱成一团。 可以想象一下，芯片是一支拥有上亿个乐手的交响乐团，而时钟信号就是指挥家。没有它的手势，乐队就演不下去。正是有了这个“时间守护者”，亿万晶体管才能像训练有素的军队，整齐划一地完成复杂运算。

3. 芯片会“发烧”吗？——揭秘芯片散热背后的热管理科技

冒烟的主板（本图片由图虫创意提供，仅供于科普中国平台使用）

芯片确实会“发烧”。当数十亿个晶体管同时工作时，就会消耗电能并转化为热量。如果散不出去，芯片就会像电脑里“加班的员工”，很快累垮，甚至罢工。 所以，工程师们为芯片设计了各种散热“黑科技”：

导热材料：比如石墨烯、金属散热片，帮助快速把热量导走；

风冷和水冷：就像给芯片“吹风降温”或“泡温泉”；

3D堆叠时的散热设计：在层层堆叠的电路中嵌入“散热通道”。

一句话：热管理科技就是芯片的“空调系统”，它决定了芯片能跑多快、能跑多久。

4. 芯片里的“神经元”：类脑芯片如何模仿人脑工作？

传统芯片擅长“算”，但不擅长“想”。而类脑芯片，就是想让机器更接近人脑的工作方式。 在类脑芯片里，晶体管被设计成像神经元一样：它们会接收信号、处理信息，再把结果传递给下一个“神经元”。

神经元（本图片由图虫创意提供，仅供于科普中国平台使用） 与普通芯片依赖时钟指令不同，类脑芯片更像“事件驱动”，就像人脑里的神经系统——有信息传来才应。

这样不仅更高效，而且更省电。比如在图像识别、语音理解这些“模糊而复杂”的任务里，类脑芯片表现非常出色。 可以说：类脑芯片是人工智能的一次跨越式尝试，让机器学会像人一样“感知”世界。

5. 从实验室到生产线：一颗芯片要经历多少道工序？

一颗芯片的诞生，就像一场漫长的马拉松。从设计图纸到成品，通常要经过上千道工序，耗时数月。大致可分为四个阶段：

（1）设计：工程师用EDA工具画出“电路蓝图”；

（2）制造：在晶圆上一步步“雕刻”出电路，过程包括光刻、刻蚀、沉积等；

（3）封装：把晶圆切割成独立芯片，再用外壳保护、引脚连接；

（4）测试：像考试一样逐个检测，确保没有“坏学生”混进来。 最后，只有通过层层考验的芯片，才能进入我们的电脑、手机，成为日常生活的“智慧核心”。可以说：每一颗芯片，都是科技与工艺的结晶。

芯片加工概念图（本图片由图虫创意提供，仅供于科普中国平台使用）

芯片的发展之路并非一帆风顺，它面临着散热、能耗、制程极限等多重挑战。但正如人类从未停止对科技的探索一样，芯片技术也在不断突破边界，为我们打开新的视野。让我们期待，在这片“数字宇宙”中，还将诞生更多令人惊叹的奇迹。

北京工业大学 陈志杰 博士生导师

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

作者：中国电子学会

审核：周祖成 清华大学电子工程系 教授

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

来源: 科普中国创作培育计划