簡單易懂的芯片科普漫畫，幫你打開高深的新技術(shù)大門

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為什么要了解芯片

手機，特別是智能手機的普及，其實就是最近十幾年的事?，F(xiàn)在我們的手機成了一個能讓人沉浸其中的小世界，這都多虧了手機芯片。

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每臺手機里，都有一個個小芯片在不斷地執(zhí)行著各種指令。這靠的是芯片里很多稱為晶體管的半導體元器件，這些晶體管通過不同的電路連接方式可以實現(xiàn)開關(guān)、電信號放大等多種功能。我們每一次操作手機，都有上百億個晶體管在工作，讓指尖大小的微型集成電路發(fā)揮出遠超首臺巨型計算機的能力。

集成電路（又稱芯片）技術(shù)，不僅僅體現(xiàn)在手機中，大至工業(yè)制造、機械設備、物流運輸，小至電視機、計算機、手機、智能家居產(chǎn)品，底層都有芯片技術(shù)支撐。隨著5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛、大數(shù)據(jù)、云計算、智慧城市等新興領域的蓬勃發(fā)展，芯片將扮演更加重要的角色。

我們可能永遠都不會自己設計芯片，但了解芯片設計仍然是一件有趣且很重要的的事情。

芯片與晶體管

芯片發(fā)展史可以追溯到半導體特性的發(fā)現(xiàn)，即半導體的導電能力會隨著溫度、光線、光照條件、輸入電壓和摻入雜質(zhì)的不同而發(fā)生改變。在這一理論基礎上，半導體點接觸式晶體管誕生，帶來了集成電路。

其后，隨著芯片制作工藝的演進，人們得以將完整計算機的不同功能集成于一顆硅片，這種高度集成的集成電路芯片即 SoC （System on Chip，片上系統(tǒng)），一塊芯片中包含了具備不同功能的集成電路模塊，它們構(gòu)成了一個完整的系統(tǒng)，使芯片功能大大增強。一塊芯片中可能包含幾類不同功能的集成電路。

在理論上我們都知道，用晶體管搭成特定的電路，就可以讓電路訪問由0和1組成的機器語言代碼（指令），并且執(zhí)行這些指令。雖然每個指令對應的功能都很簡單，比如僅僅是把某個位置存儲著的數(shù)據(jù)拷貝到另一個位置去，但多個指令執(zhí)行下來，就能實現(xiàn)很復雜的功能。

在計算機圖書中，我們可以學習到，高級語言如C語言代碼，在真正被處理器運行時會轉(zhuǎn)化為匯編代碼，并最終形成二進制格式的目標代碼文件。最終機器執(zhí)行的程序只是一個字節(jié)序列，它是對一系列指令的編碼，機器對產(chǎn)生這些指令的源代碼幾乎一無所知。

在計算機專業(yè)課堂中，當需要設計實際能夠工作的微處理器時，學生們會先學習怎么用晶體管組成數(shù)字電路的基本計算單元——邏輯門。

后續(xù)設計時，我們就不會再畫出邏輯門的實際晶體管電路了。

將很多的邏輯門組合成一個網(wǎng)，就稱為組合電路。比如下面就是一個簡單的組合電路。

之后我們可以將具體的組合電路寫成更抽象的表示圖。

比如算術(shù)/邏輯單元（ALU），就是一種很重要的組合電路，下面是它的一個抽象的圖示。電路有標號為A和B的兩個數(shù)據(jù)輸入，一個控制輸入。根據(jù)控制輸入的設置，電路會對數(shù)據(jù)輸入執(zhí)行不同的算術(shù)或邏輯操作。

早期的硬件設計者，就是通過紙和筆描繪示意性的邏輯電路圖來進行電路設計的。比如設計一個最簡單的、每個時鐘周期中執(zhí)行一條完整指令的順序執(zhí)行處理器時，就會畫出下面這樣的一個邏輯圖。

現(xiàn)在我們已經(jīng)不再直接描繪邏輯電路圖來進行電路設計了，而是會使用硬件描述語言（Hardware Description Language，HDL）來描述硬件結(jié)構(gòu)，如Verilog語言。之后可以根據(jù)HDL的描述生成有效的電路設計。

用晶體管設計出特定的電路已經(jīng)很難了，而真正把大量的晶體管“放進”指甲蓋大小的芯片里并用電路連接在一起，難度會更大。現(xiàn)代的芯片設計、制造、測試，已經(jīng)變得非常復雜了。按照傳統(tǒng)的方式來學習了解芯片的設計制造，以及芯片中各個功能模塊是怎么配合完成工作，還是很不容易的。

好在，我們現(xiàn)在有了一本介紹芯片知識的科普漫畫圖書，書中，芯片知識由擬人化的“元器件”們徐徐道來，帶領讀者輕松了解“點沙成芯”的奧秘。

這本書的內(nèi)容，來源于華為麒麟公眾號中的熱門科普漫畫?“看懂芯片原來這么簡單”系列。在漫畫創(chuàng)作期間，華為麒麟團隊的專家們又提供了豐富的學術(shù)資料，并認真答疑、嚴謹校對，讓這本跨越芯片設計、無線通信、開發(fā)工具等多個領域的科普圖書更具專業(yè)性。

全書共分為三個部分，首先介紹芯片的設計與制造，解讀芯片的基本概念；

然后剖析芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)，解讀 CPU、GPU、ISP、NPU 等核心部件的功能與作用；最后解讀旗艦芯片部分功能的實現(xiàn)方式，如連接芯片們“成團出道”、ISP+NPU 硬件級協(xié)同等芯片設計領域的知識。

本書是以生活場景作為觸點，結(jié)合終端體驗來闡釋芯片原理。可以說是一本跨越芯片設計、無線通信、開發(fā)工具等多個領域的科普圖書了。書中沒有長篇累牘的技術(shù)介紹與理論知識，而是以生活場景作為觸點，結(jié)合終端體驗來闡釋芯片原理。對于廣大讀者朋友來說，這種方式可以幫助大家更輕松地了解芯片科學，感受芯片內(nèi)的廣袤世界。

比如在講解芯片設計與制造的過程時，書里就建議讀者將過程簡單地理解為設計、制造和測試。然后用建造建筑來進行比喻，說明了芯片的前端設計、后端制造、封裝測試的區(qū)別。

這樣一來，晦澀的芯片原理就變得好理解多了。接下來講解芯片的制造過程，就很容易明白了。

對于各種專業(yè)名詞，都在每章末尾放上了術(shù)語表。

通過這種漫畫的形式，這本書串聯(lián)起了一個個主題故事，難懂的芯片知識了解起來也變得更加輕松。