導(dǎo)語(yǔ)--初識(shí)半導(dǎo)體的旅途中我們跨過(guò)了行業(yè)分類，現(xiàn)在已經(jīng)到達(dá)了核心的核心站-集成電路，也就是我們通常所說(shuō)的芯片。作為核心的核心，無(wú)論從市場(chǎng)規(guī)模還是技術(shù)的壁壘來(lái)看，集成電路都當(dāng)之無(wú)愧是半導(dǎo)體皇冠上的明珠。由于其細(xì)分品類繁多，由一篇或兩篇文章介紹的話會(huì)過(guò)于冗長(zhǎng)和復(fù)雜，接下來(lái)我們將通過(guò)兩周一系列的文章對(duì)集成電路行業(yè)進(jìn)行全面介紹，這兩周我們的更新頻率也會(huì)高一些。

上篇我們說(shuō)到，半導(dǎo)體按照結(jié)構(gòu)功能劃分為集成電路、分立器件、光電子器件與傳感器四大類，其中集成電路市場(chǎng)規(guī)模占比約82.02%。集成電路的細(xì)分又是一個(gè)極其復(fù)雜的工程，由下面我們總結(jié)的思維導(dǎo)圖可見(jiàn)一斑。

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按照處理信號(hào)種類劃分，集成電路芯片可分為數(shù)字芯片與模擬芯片，其中數(shù)字芯片占半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模的69.38%，模擬芯片占半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模的12.64%。限于篇幅，本周我們先介紹數(shù)字芯片。數(shù)字芯片可以進(jìn)一步細(xì)分為承擔(dān)計(jì)算功能的邏輯芯片、承擔(dān)存儲(chǔ)功能的存儲(chǔ)芯片以及將運(yùn)算、存儲(chǔ)等功能集成于一個(gè)芯片之上的微控制單元（MCU），它們的市場(chǎng)份額分別占半導(dǎo)體總體市場(chǎng)份額的26.89%、26.67%、15.82%。接下來(lái)我們一一介紹。

數(shù)字芯片，處理離散數(shù)字信號(hào)的芯片，可進(jìn)一步細(xì)分為邏輯芯片、存儲(chǔ)芯片和MCU。

邏輯芯片，邏輯芯片指包含邏輯關(guān)系，以二進(jìn)制為原理，實(shí)現(xiàn)運(yùn)算與邏輯判斷功能的集成電路。常見(jiàn)的邏輯芯片有CPU（中央處理器）、GPU（圖形處理器）、ASIC（專用處理器）與FGPA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）。

1.?CPU（Central Processing Unit，中央處理器）是計(jì)算機(jī)的大腦，由運(yùn)算、控制、存儲(chǔ)三個(gè)單元組成，三個(gè)部分相互協(xié)調(diào)，便可以進(jìn)行分析、判斷、運(yùn)算并控制計(jì)算機(jī)各部分協(xié)調(diào)工作。CPU最早出現(xiàn)于1971年，是為最廣泛使用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主控芯片，應(yīng)用于個(gè)人PC機(jī)與數(shù)據(jù)終端服務(wù)器。CPU市場(chǎng)主要可以劃分為服務(wù)器、工作站、PC、移動(dòng)終端和嵌入式設(shè)備，全球CPU行業(yè)由英特爾與AMD壟斷，國(guó)有芯片市占率在個(gè)人PC領(lǐng)域約為1%，服務(wù)器領(lǐng)域約為2%，國(guó)內(nèi)CPU領(lǐng)域代表企業(yè)為龍芯中科、海光信息與兆芯科技。

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2.?GPU（Graphics Processing Unit，圖形處理器）， 目前主要作為顯卡的計(jì)算核心， 主要解決圖形渲染問(wèn)題。圖形渲染的實(shí)質(zhì)是大量數(shù)據(jù)的快速并行計(jì)算，這需要具有高并行度以及高吞吐量特性的處理器。CPU 核數(shù)不超過(guò)兩位數(shù)，每個(gè)核都有足夠的緩存和ALU，并輔助有很多加速分支判斷甚至更復(fù)雜的邏輯判斷的硬件； GPU 的核數(shù)遠(yuǎn)超 CPU，被稱為眾核（NVIDIA Fermi 有 512 個(gè)核）。每個(gè)核擁有的緩存大小相對(duì)小，數(shù)字邏輯運(yùn)算單元也少而簡(jiǎn)單。GPU和CPU之所以大不相同，是由于其設(shè)計(jì)目標(biāo)的不同，它們分別針對(duì)了兩種不同的應(yīng)用場(chǎng)景。CPU需要很強(qiáng)的通用性來(lái)處理各種不同的數(shù)據(jù)類型，同時(shí)又要邏輯判斷又會(huì)引入大量的分支跳轉(zhuǎn)和中斷的處理。這些都使CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜。而GPU面對(duì)的則是類型高度統(tǒng)一、相互無(wú)依賴的大規(guī)模數(shù)據(jù)和不需要被打斷的純凈的計(jì)算環(huán)境，相對(duì)CPU，GPU舍棄了部分控制單元，擁有更多的計(jì)算單元（即運(yùn)算器），因此可以高密度執(zhí)行大量同質(zhì)化數(shù)據(jù)運(yùn)算，即大規(guī)模并發(fā)計(jì)算。除圖形渲染外，大規(guī)模并發(fā)計(jì)算也是密碼破解等所需要的。所以，除了圖像處理，GPU也越來(lái)越多的參與到計(jì)算當(dāng)中來(lái)。而CPU由于具備更多的存儲(chǔ)單元和控制單元，因此更適合進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算。在功能上，GPU可以視為CPU的巨大補(bǔ)充。CPU與GPU的區(qū)別。GPU又可分為集成顯卡（iGPU ， integrated GPU，集成在CPU中的顯卡）和獨(dú)立顯卡（dGPU : discrete/dedicated GPU，獨(dú)立于CPU的顯卡），當(dāng)前全球GPU市場(chǎng)由英偉達(dá)、英特爾與AMD壟斷，三者市場(chǎng)份額接近100%。國(guó)內(nèi)有望實(shí)現(xiàn)突圍的GPU相關(guān)企業(yè)為景嘉微。

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3.?ASIC(Application Specific Integrated Circuit，專用集成電路，專用處理器），是實(shí)現(xiàn)專門目的的集成電路。隨著智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備等體積更小的智能設(shè)備問(wèn)世，芯片的集成度也越來(lái)越高，出現(xiàn)了以客戶參加設(shè)計(jì)為特征的專用集成電路(ASIC)，ASIC往往跟據(jù)客戶的具體需求將CPU、GPU、存儲(chǔ)器乃至藍(lán)牙、WIFI等數(shù)十個(gè)小規(guī)模IC模塊集成在一塊芯片上，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)需要，這樣的做法也被稱為SOC（片上系統(tǒng)）。它使整機(jī)電路優(yōu)化，元件數(shù)減少，布線縮短，體積和重量減小，提高系統(tǒng)可靠性。

智能手機(jī)是ASIC的主要應(yīng)用場(chǎng)景，ASIC在手機(jī)中有兩種主要的芯片，一個(gè)是AP（Application Processor，應(yīng)用處理器），AP是在低功耗CPU的基礎(chǔ)上擴(kuò)展音視頻功能和專用接口的超大規(guī)模集成電路，它是主控處理器，是運(yùn)算和控制核心，包括基帶處理器等所有外圍設(shè)備（WIFI、GPS、觸摸屏、相機(jī)、陀螺儀等）都由其管理。

另一個(gè)就是BP（Baseband Processor，基帶處理器），BP是手機(jī)中的通信模塊， 最主要的功能就是負(fù)責(zé)與移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的基站進(jìn)行交流， 對(duì)上下行的無(wú)線信號(hào)進(jìn)行調(diào)制、 解調(diào)、 編碼、 解碼工作， BP相當(dāng)于一個(gè)協(xié)議處理器，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理與儲(chǔ)存（相比之下，被稱為模擬芯片皇冠上明珠的射頻IC（Integrated Circuit）一般是進(jìn)行射頻信號(hào)收發(fā)的芯片在手機(jī)終端中，射頻芯片負(fù)責(zé)射頻收發(fā)、頻率合成、功率放大；而基帶芯片負(fù)責(zé)信號(hào)處理和協(xié)議處理。目前的主流是將射頻收發(fā)器(小信號(hào)部分)集成到手機(jī)基帶中，未來(lái)射頻前端也有可能集成到手機(jī)基帶里，而隨著模擬基帶和數(shù)字基帶的集成越來(lái)越成為必然的趨勢(shì)，射頻可能最終將被完全集成到手機(jī)基帶芯片中）， 主要組件為數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）、 微控制器（MCU）、內(nèi)存（SRAM、 Flash）等單元。BP管理的是手機(jī)一切無(wú)線信號(hào)（除了wifi，藍(lán)牙，NFC等等），一款手機(jī)支持多少種網(wǎng)絡(luò)模式，支持4G還是3G，都是由基帶部分決定的。

除了AP、BP外，目前手機(jī)中還有第三種ASIC芯片，稱之為CP（CoProcessor，協(xié)處理器），一種用于減輕系統(tǒng)微處理器的特定處理任務(wù)芯片。CP是一種協(xié)助中央處理器完成其無(wú)法執(zhí)行或執(zhí)行效率、效果低下的處理工作而開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的處理器。這種中央處理器無(wú)法執(zhí)行的工作有很多，比如設(shè)備間的信號(hào)傳輸、接入設(shè)備的管理等；而執(zhí)行效率、效果低下的有圖形處理、聲頻處理等。為了進(jìn)行這些處理，各種輔助處理器就誕生了。每個(gè)廠商對(duì)CP都有不同的名字，比如蘋果把它叫做協(xié)處理器，高通820叫做“低功率島”。在早期CP只用于解碼視頻和處理音頻等等簡(jiǎn)單任務(wù)，但是各大廠商發(fā)現(xiàn)，CP的性能其實(shí)也可以很高，于是開(kāi)始處理的東西越來(lái)越多?，F(xiàn)在的CP已經(jīng)可以處理虛擬現(xiàn)實(shí)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，圖像處理，HIFI，HDR，傳感器等等。

大家所熟知的麒麟芯片便屬于ASIC中的AP，華為1991年便成立ASIC設(shè)計(jì)中心進(jìn)行相關(guān)研究，ASIC設(shè)計(jì)中心是2004年成立的海思半導(dǎo)體的前身。2020年海思全球市場(chǎng)份額11%位居第四，自受到美國(guó)制裁打壓后，至2022年二季度市場(chǎng)份額僅剩0.4%了。BP做的最有名的是高通，其實(shí)高通發(fā)家靠的就是優(yōu)秀的BP基帶處理器，而不是AP應(yīng)用處理器。國(guó)內(nèi)BP主要公司為翱捷科技。2021年二季度，高通以52%的手機(jī)基帶芯片收入份額排名第一，其次是聯(lián)發(fā)科（30%）和三星（10%）。由于受到美國(guó)的持續(xù)制裁，導(dǎo)致華為海思自研的基帶芯片無(wú)法制造，只能靠消耗庫(kù)存來(lái)維持，受此影響，海思的基帶芯片出貨量在今年二季度下滑了82%。

4.?FGPA（Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列），是在 PAL、GAL、CPLD 等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為ASIC領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路（即ASIC）的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。定制化的ASIC雖然優(yōu)化了整機(jī)電路，有效縮減了智能設(shè)備的體積，然而這也意味著芯片設(shè)計(jì)的復(fù)雜度大大提升，流片（打樣）失敗的風(fēng)險(xiǎn)增大。在此背景下半定制化的FGPA應(yīng)運(yùn)而生。FGPA最大的特點(diǎn)在于它名稱中的現(xiàn)場(chǎng)可編程，它是當(dāng)今數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要硬件平臺(tái)，主要特點(diǎn)是完全由用戶通過(guò)軟件進(jìn)行配置和編程，從而完成某種特定的功能，且可反復(fù)擦寫(xiě)。無(wú)論是CPU、GPU還是ASIC，在芯片制造完成后，芯片的功能即被固定，用戶無(wú)法對(duì)硬件功能做出更改，而FPGA在制造完成后功能未被固定，使用者可使用FGPA芯片提供商的軟件對(duì)芯片進(jìn)行功能配置，將芯片上空白的模塊轉(zhuǎn)化為自身所需的具備特定功能的模塊。

FGPA具有強(qiáng)大的靈活性，在修改和升級(jí)時(shí)，不需要額外改變 PCB 電路板，只是在計(jì)算機(jī)上修改和更新程序，使硬件設(shè)計(jì)工作成為軟件開(kāi)發(fā)工作，使用者只需幾分鐘便能改變芯片的邏輯功能，使之在不同的業(yè)務(wù)需求之間靈活調(diào)配，且相比于ASIC方案，F(xiàn)GPA方案能夠縮短系統(tǒng)設(shè)計(jì)的周期，降低流片失敗的風(fēng)險(xiǎn)，提高實(shí)現(xiàn)的靈活性并降低成本。具體到實(shí)現(xiàn)原理而言，加電時(shí)，F(xiàn)PGA 芯片將 EPROM 中的數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程 RAM 中，配置完成后，F(xiàn)PGA 進(jìn)入工作狀態(tài)。掉電后，F(xiàn)PGA 恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此，F(xiàn)PGA 能夠反復(fù)使用。理論上，F(xiàn)PGA 允許無(wú)限次的編程。FPGA 的編程無(wú)須專用的 FPGA 編程器，只需用通用的 EPROM、PROM 編程器即可。FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和 I／O 引腳，能夠快速成品，不需要用戶介入芯片的布局布線和工藝問(wèn)題，而且可以隨時(shí)改變邏輯功能，使用靈活。

當(dāng)前中國(guó)FGPA市場(chǎng)由賽靈思（被AMD收購(gòu)）與英特爾（收購(gòu)了Altera）壟斷，據(jù)兩者市占率約90%。國(guó)內(nèi)FGPA領(lǐng)域龍頭企業(yè)為安路科技，公司于2021年11月12日科創(chuàng)板上市，當(dāng)前市占率接近1%。FPGA的基本歷史、基本結(jié)構(gòu)、應(yīng)用領(lǐng)域。

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本篇我們完成了邏輯芯片的介紹，下一篇我們將簡(jiǎn)單梳理一下存儲(chǔ)芯片的領(lǐng)域。