01現(xiàn)代集成電路：設(shè)計(jì)與構(gòu)建

在過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)里，IC 以更快的速度、更大的容量和更小的尺寸取得了巨大的進(jìn)步。

與早期相比，今天的 IC 復(fù)雜得令人難以置信，能夠在單個(gè)小塊材料上容納數(shù)十億個(gè)晶體管和其他組件。現(xiàn)代 IC 都是一體的，各個(gè)組件直接嵌入硅晶體中，而不是簡(jiǎn)單地安裝在硅晶體上。

一個(gè) IC 依賴于多個(gè)抽象層次。構(gòu)成 IC 的半導(dǎo)體晶片很脆弱，并且在其許多層之間包含許多復(fù)雜的連接。這些晶片的組合稱(chēng)為裸片。

由于單個(gè)芯片上有數(shù)百萬(wàn)或數(shù)十億個(gè)組件，因此無(wú)法單獨(dú)定位和連接每個(gè)組件。芯片太小，無(wú)法焊接和連接。取而代之的是，設(shè)計(jì)人員使用專(zhuān)用編程語(yǔ)言來(lái)創(chuàng)建小型電路元件并將它們組合起來(lái)，從而逐步增加芯片上組件的尺寸和密度，以滿足應(yīng)用需求。

這些 IC 被“封裝”起來(lái)，將精致而微小的芯片變成一個(gè)黑色芯片，現(xiàn)在構(gòu)成了數(shù)百種設(shè)備的基礎(chǔ)，包括：

• 電腦

• 手機(jī)和 智能手機(jī)

• 汽車(chē)和飛機(jī)

• 放大器

• 網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)

• 其他電子設(shè)備：洗衣機(jī)、烤面包機(jī)、微波爐、電視機(jī)等。

02集成電路的種類(lèi)

IC 可以是線性（模擬）、數(shù)字或兩者的某種組合，具體取決于它們的預(yù)期應(yīng)用。

模擬或線性 IC 具有連續(xù)可變的輸出，具體取決于輸入信號(hào)電平。理論上，這樣的 IC 可以達(dá)到無(wú)限多個(gè)狀態(tài)。對(duì)于這種 IC 類(lèi)型，輸出信號(hào)電平是輸入信號(hào)電平的線性函數(shù)。理想情況下，當(dāng)瞬時(shí)輸出與瞬時(shí)輸入作圖時(shí)，該圖顯示為一條直線。

模擬 IC 通常只使用很少的組件并且非常簡(jiǎn)單。

線性 IC 用作音頻 ( AF ) 和射頻 ( RF ) 放大器。運(yùn)算放大器（op amp）是這些應(yīng)用中的常見(jiàn)器件。模擬 IC 的另一個(gè)常見(jiàn)應(yīng)用是溫度傳感器。可以對(duì)線性 IC 進(jìn)行編程，以便在信號(hào)達(dá)到特定值時(shí)打開(kāi)或關(guān)閉各種設(shè)備。這些包括：

• 空調(diào)

• 加熱器

• 烤箱

與模擬 IC 不同，數(shù)字 IC 不能在連續(xù)的信號(hào)幅度范圍內(nèi)工作。相反，它們僅在幾個(gè)定義的（離散的）級(jí)別或狀態(tài)下運(yùn)行。數(shù)字 IC 的基本構(gòu)建塊是邏輯門(mén)，它處理二進(jìn)制數(shù)據(jù)，即只有兩種不同狀態(tài)的信號(hào)，稱(chēng)為低（邏輯 0）和高（邏輯 1）。

數(shù)字 IC 現(xiàn)在用于越來(lái)越多的應(yīng)用，包括：

• 電腦

• 企業(yè)網(wǎng)絡(luò)

• 調(diào)制解調(diào)器

• 頻率計(jì)數(shù)器

甲混合IC既包括模擬和數(shù)字設(shè)計(jì)原則。它可以用作：

• 數(shù)模轉(zhuǎn)換器

• 模數(shù)轉(zhuǎn)換器

• 時(shí)鐘/定時(shí)器IC

03微處理器和集成電路

微處理器是最復(fù)雜的 IC 類(lèi)型，每秒能夠執(zhí)行數(shù)十億次操作。在計(jì)算設(shè)備中，微處理器包含運(yùn)行計(jì)算機(jī)的中央處理單元 (CPU) 或?qū)ｉT(mén)用于渲染圖像和視頻的圖形處理單元 ( GPU )。單個(gè)微處理器包含數(shù)十億個(gè)互連的晶體管，每個(gè)晶體管都根據(jù)時(shí)鐘指令執(zhí)行特定的邏輯功能。

當(dāng)時(shí)鐘改變狀態(tài)時(shí)，晶體管執(zhí)行它們被編程執(zhí)行的邏輯功能（例如，計(jì)算）。時(shí)鐘的頻率決定了這些功能的速度。

微處理器還包含不同類(lèi)型的預(yù)定存儲(chǔ)位置或存儲(chǔ)信息的寄存器：

• 永久寄存器：存儲(chǔ)各種操作的預(yù)編程指令。

• 臨時(shí)寄存器：存儲(chǔ)要操作的數(shù)字和操作的結(jié)果。

• 計(jì)數(shù)器：包含下一條指令的內(nèi)存地址。

• 堆棧指針：包含放入堆棧內(nèi)存的最后一條指令的地址。

• 內(nèi)存地址寄存器：包含要處理的數(shù)據(jù)的位置（地址）。

IC讓我們的生活無(wú)限美好。與 1940 年代開(kāi)發(fā)的第一臺(tái)計(jì)算機(jī)相比，現(xiàn)代筆記本電腦的功能強(qiáng)大數(shù)千倍，體積約小 100 倍。的ENIAC約為作為大3至4的雙層巴士和RAN 18000真空管。