一文，帮你捋顺所有芯片分类！

随着科技的飞速发展，芯片已经成为现代电子设备的核心。它们不仅控制和操作着各种设备，还决定着这些设备的性能和功能（还TMD决定着工资、房价、肉价……）。本文将向您介绍不同类型的芯片及其特点和应用。

首先，让我们来了解一下芯片的基本概念。芯片，也称为集成电路或微处理器，是一种将大量电子元件（如晶体管、电阻、电容等）集成在一块小硅片上的微型电子器件。根据功能、用途、工艺、原理等等，芯片的分类方式可谓是多种多样、五花八门、乱七八糟，今天就给大家捋一捋：

按功能分类

好生动的一张图

按照应用功能分为逻辑芯片、存储芯片、传感器芯片、电源芯片和通信芯片五大类。每个大类又可细分为若干小类。

芯片按照应用功能分类

按工作原理分类

如果按照工作原理，芯片可以分为模拟芯片和数字芯片两大类。

模拟芯片： 模拟芯片是处理连续性的光、声音、速度、温度等自然模拟信号（包括射频芯片、传感器芯片等等）。通常对芯片的工艺制程要求不高（尤其是大功率器件有时候衬底比工艺还贵），更注重组件的特性如可靠度、稳定度、能源转换效率、电压电流控制能力等。数字芯片： 数字芯片的主要功能是实现数字信息传输，数字的基本功能包括存储、计算、运算等。（粗暴一点讲，数字芯片只会与、或、非三种计算[我想静静]，请参考：用人话讲明白什么是RISC-V，但是科学家们仅仅依靠CPU的这三种逻辑运算能力，就能衍生出当今堪称万能的计算机软件。）其性能直接取决于单位面积内的晶体管数量，因此对工艺制程非常依赖。数模混合芯片： 顾名思义就好……

按应用场景分类

数据中心级芯片： 主要应用于云计算数据中心：包含CPU、GPU、内存、存储控制器、固态硬盘等，主要要求高性能、高稳定性、高可靠性。消费类芯片： 目前应用最广泛，市场占有率最高的芯片，应用于日常使用的电脑、手机等产品。工业芯片： 工业产品长期处于极高/低温、高湿、强盐雾和电磁辐射的恶劣环境，使用环境较苛刻，因此工业芯片必须具备稳定性、高可靠性和高安全性，且具备长服役寿命（以电力为例，要求工业芯片应用失效率。车规芯片： 主要是对温度环境要求严格，要在更宽泛的温度范围内都能使用。军工芯片： 跟国防军事工业领域有关的芯片，如卫星通信、制导、精准导航等。

按工艺制程分类

按照半导体芯片的工艺制程的演进历史又可以分为：

1971年，10μm工艺1974年，6μm工艺1977年，3μm工艺1982年，1.5μm工艺

1984年，ASML成立。

1985年，1μm工艺1989年，0.8μm工艺1994年，0.6μm工艺1995年，0.35μm工艺（有一说一，这里基本上是当前纯国产化工艺的制造极限，也就落后了不到30年……） 1997年，主节点：250nm工艺1999年，主节点：180nm工艺2001年，主节点：130nm工艺

2003年，ASML与台积电合作推出浸没式光刻机，至此ASML一举超越其他厂商，后来者居上。而同为光刻巨头的日本尼康、日本佳能主推的157nm光源干式光刻机被市场逐渐抛弃，两家公司由盛转衰。

2004年，主节点：90nm工艺2006年，主节点：65nm工艺2008年，主节点：45nm工艺2010年，主节点：32nm工艺2011年，主节点：22nm工艺

2013年，ASML推出第一台EUV量产产品，NXE:3300正式发货，进一步加强行业垄断地位。

2014年，主节点：14nm工艺2017年，主节点：10nm工艺2018年，主节点：7nm工艺2020年，主节点：5nm工艺2022年，主节点：3nm工艺

光刻机是国内最受关注的半导体设备，也是严重被卡脖子的设备，它的主要作用就是进行光刻制造，直接决定了半导体工艺制程上限。请参考：全球光刻机行业概览

你是否曾好奇，为什么半导体工艺制程是130nm、90nm、65nm、45nm、40nm、32nm、28nm、22nm、14nm、10nm、7nm、5nm、3nm这样发展？真的是摩尔定律的“摩”咒吗？欢迎查阅作者主页文章解惑：摩尔定律的“摩”咒

按半导体材料分类

我们通常所说的第一、二、三、四代半导体，就是根据衬底或外延的材质来划分的。就是说，只要你用到了新一代的材料，不管是衬底还是外延，就都可以自称是新一代的半导体。 比如说，你用单晶硅做衬底，然后在上面生长GaN外延，因为用到的材料里有GaN，所以硅基GaN也算是第三代半导体。

按半导体材料分类的一二三四代半导体

啥是衬底？啥是外延？你还傻傻分不清楚吗？可以参考这篇文章：衬底与外延，这俩到底是啥关系？这回帮你捋顺了！

按产业链分类

按照集成电产业的顺序，芯片又包含硅片制作、IC设计、晶圆制造以及封装测试五大流程。

集成电路制造的五大流程

芯片的制造可以分为前道工艺和后道工艺。前道工艺包括光刻、刻蚀、薄膜沉积、离子注入、清洗、化学机械抛光、量测等工艺。后道工艺包括减薄、划片、装片、键合等封装工艺以及终端测试等。

说出来你可能不信，我们不仅光刻机造不出来，就连放光刻机的洁净室都造不了！不信就看看这篇：半导体制造的洁净室，到底有多干净？

后记

根据需求差异，芯片的分类方式纷繁复杂，并没有一个固定的标准（其实更多时候就是非专业人士的YY，或者企业宣传的噱头罢了）。完全没有必要把每种分类都牢牢记住，有个大致印象，知道怎么回事就足够了，需要的时候提前再去查就行。

光芯片，用光突破计算瓶颈

芯片，又叫作集成电路，在指甲盖大小的空间中，能够包含数十亿的电子元件，形成了极其复杂的电路结构 。芯片被用于数据的处理、存储、控制、通信和感知等各个方面，计算机、手机、汽车等设备都依赖芯片来处理数据，执行算法和运行软件程序。面对各种各样的需求，人们制造出了数十万种芯片。

近期，由中国科学院上海微系统与信息技术研究所（上海微系统所）、瑞士洛桑联邦理工学院组成的合作团队在国际上另辟蹊径，在高性能光子芯片制备领域取得了突破性进展，研发了可批量制造的新型光子芯片 ，相关成果及论文发表在了著名国际期刊《自然》上。

微芯片示意。版权图库图片，转载使用可能引发版权纠纷

众多芯片中，光芯片大不一样

芯片依赖电子 在集成电路中的运行来实现各种复杂的功能，芯片内部存在非常多的导线供电子穿梭。光芯片则是利用光在集成光路中的传输来实现各种复杂的功能 ，光芯片主要由发光器件（产生光），光波导（引导光传播的装置）组成。

光芯片结构示意，条纹结构为光波导组成的光芯片单元。图片来源：VLC Photonics

光波导是光在从一种介质传播到另一种介质时偶尔会发生的全反射现象。比如，当光从水传播到空气时，只要光与介质分界面所成角度到达特定范围，就会发生全反射现象，利用该现象能够制成引导光波前进的结构就叫作光波导。

光线在玻璃当中不断全反射。图片来源：wikipedia

现有芯片的种类和功能已经很完善了，为什么还要用光子芯片来替代传统芯片呢？这是因为芯片的性能已经无法满足人们在高速通信和人工智能方面的需求。

光子芯片的特点

与传统芯片对比，光子芯片如同光纤通信线路对比传统的通信电缆。 光纤能够传输更多的数据量，一根光纤所传输的数据量相当于数十根传统信号电缆 。

光纤传输中的光信号能够在长距离传输时保持较高的质量，相比之下信号电缆需要消耗更多的能量，且信号质量也会下降。光子芯片在传输速度，能耗方面相比于传统的芯片也有很大的优势 。

1.速度快

光的传播速度是自然界中最快的，光在真空中每秒能够传播 299792.458 千。相比之下，电信号在电路中的传输速度大约是光速的三分之二到四分之三，随着电路温度的升高，速度还会下降。

中国网民用户数目多达 10.92 亿，互联网产生了各种软件，使用这些软件所产生的数据量是巨大的。海量数据被上传至软件公司建立的数据中心进行处理，数据中心由众多高性能计算机（又叫服务器）组成，服务器之间需要快速交换大量数据。

把服务器比作水缸，水缸间需要通信芯片作为“水管”，将水缸连接在一起，如果水管太细（通信芯片速度无法满足需求），那么水缸的水就无法及时流入或排出，个别水缸水溢出时，也就发生了服务器崩溃（软件没法用了）。光芯片的出现，能够使得服务器之间以及数据中心与外界进行快速的数据交换。

光通信芯片及其结构显微图。图片来源：参考文献 2

2.能耗低

传统芯片进行运算时，电子在电路中运动会产热，高性能运算芯片的耗电量非常高，目前是制约芯片算力的主要原因。芯片的功耗增加一百倍，性能只能提高十倍，大部分的能量都被用于驱动散热部件。为了散热，有的公司甚至将他们的数据中心建在了海底，利于海水冷却电子设备。

被打捞出来检修的水下数据中心。图片来源：microsoft

当前，训练人工智能大模型也面临着芯片性能和电力消耗的制约，为了解决这一问题，当前有两种思路。 一是光芯片与传统芯片的混合集成，传统芯片作为单个的计算单元，光芯片负责计算单元之间的高速通信桥梁，建立集群运算，有效提高运算速度，同时功耗的增加也在可接受范围内。二是设计制造光计算芯片，突破传统的微电子处理器芯片性能瓶颈。

结语

总而言之，光芯片作为继传统微电子芯片后，信息技术的又一重要支撑，光子芯片在功耗，速度，尺寸等方面都极具潜力 。

从华人科学家、光纤之父高锟在 1966 年提出光纤用于长距离通信的理念，到 1970 年代末光纤开始商业化推广，经历了二十余年，光纤的传输损耗也降低为最初的 1% 。同样地，光子芯片的实用化与商业化势在必行。

参考文献

[1] Wang C , Li Z , Riemensberger J ,et al.Lithium tantalate photonic integrated circuits for volume manufacturing[J].Nature, 2024, 629(8013):784-790.

[2] Meister S ,Bülent Franke, Eichler H J ,et al.Photonic Integrated Circuits for Optical Communication[J].Optik & Photonik, 2012, 7(2):59-62.

[3]S.O.Kasap.光电子学与光子学[专著] : 原理与实践 : Optoelectronics and photonics : principles and practices[M].电子工业出版社,2016.

策划制作

出品丨科普中国

作者丨海里的咸鱼 中国科学院长春光机所光学硕士

监制丨中国科普博览

责编丨何通

审校丨徐来、林林

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