《芯時(shí)代:無(wú)所不在的芯片》是筑夢(mèng)芯時(shí)代科普叢書(shū)的第一冊(cè)。該叢書(shū)是專為科普愛(ài)好者及青少年打造的芯片領(lǐng)域科普系列讀物,通過(guò)通俗易懂的文字,圖文并茂地從豐富的應(yīng)用場(chǎng)景入手,介紹了芯片在工作、生活以及科學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用!缎緯r(shí)代:無(wú)所不在的芯片》描述了芯片的十大常見(jiàn)應(yīng)用場(chǎng)景,分別是手機(jī)、計(jì)算機(jī)、汽車、燈光照明、移動(dòng)通信、醫(yī)療、安防、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算,勾勒出芯片技術(shù)應(yīng)用的全景圖,讓讀者意識(shí)到芯片在人們現(xiàn)在的生活和未來(lái)的發(fā)展中都扮演著不可或缺的角色,由此引發(fā)對(duì)芯片技術(shù)發(fā)展、中國(guó)制造發(fā)展之路的深入思考。
科技創(chuàng)新、科學(xué)普及是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展的兩翼,要把科學(xué)普及放在與科技創(chuàng)新同等重要的位置。芯片是當(dāng)代大國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn),國(guó)家將芯片技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展列入國(guó)家戰(zhàn)略。作為卡脖子技術(shù)之一,芯片受到了廣泛關(guān)注!缎緯r(shí)代:無(wú)所不在的芯片》圍繞芯片的十大主要應(yīng)用場(chǎng)景,向我們展現(xiàn)了芯片無(wú)所不在的身影,以及中國(guó)科學(xué)家在科技創(chuàng)新之路上篳路藍(lán)縷的足跡。不僅普及了芯片知識(shí),更傳播了科學(xué)思想與科學(xué)方法,弘揚(yáng)科學(xué)精神與科學(xué)家精神,并從國(guó)家戰(zhàn)略角度展現(xiàn)芯片作為卡脖子技術(shù)在國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和國(guó)家安全中的重要地位。
《芯時(shí)代:無(wú)所不在的芯片》由重慶郵電大學(xué)兼具教學(xué)科研與科普傳播經(jīng)驗(yàn)的資深教師團(tuán)隊(duì)傾力編撰,內(nèi)容深入淺出,通俗易懂。不僅用粗體字為讀者提綱挈領(lǐng)地總結(jié)關(guān)鍵概念,更善于運(yùn)用豐富的說(shuō)明方法,如打比方、列數(shù)字、舉例子等,將抽象的科技原理變?yōu)榭梢暬氖挛铩⑸畎咐,真正達(dá)到了科普的意義。同時(shí),文字理性中蘊(yùn)含著無(wú)限力量,使讀者能由衷為中國(guó)芯片制造感到自豪,甚至激發(fā)出強(qiáng)芯的動(dòng)力。
你是否曾聽(tīng)過(guò)科技巨頭華為的芯片危機(jī)?
2019年5月,華為被美國(guó)商務(wù)部列入實(shí)體清單,遭到嚴(yán)苛的制裁。由于沒(méi)有自己的芯片制造廠,華為更多依賴于外部供應(yīng)商,如臺(tái)積電、三星等。這些供應(yīng)商使用的設(shè)備和材料大多來(lái)自美國(guó)或受美國(guó)控制。這使得華為受制于人,無(wú)法獲取關(guān)鍵的零部件與專利技術(shù),智能手機(jī)生產(chǎn)也因此陷入前所未有的困境……這場(chǎng)芯片危機(jī)持續(xù)多年,直到2023年8月29日,華為帶著麒麟9000s芯片涅槃歸來(lái),當(dāng)時(shí)訪華的雷蒙多尚沒(méi)有返回美國(guó),還在做著阻滯中國(guó)創(chuàng)新速度的美夢(mèng)。中國(guó)科技的創(chuàng)新能力正逐漸顛覆美國(guó)乃至世界一直以來(lái)對(duì)中國(guó)高端半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的傳統(tǒng)認(rèn)知,也再次向全世界證明了芯片國(guó)產(chǎn)化的重要性!
1.智能的寶盒
是什么讓以前的磚頭變成了今天蘊(yùn)藏?zé)o限能量的寶盒?答案是芯片。
手機(jī)上有負(fù)責(zé)不同功能的芯片,主要包括處理器芯片、存儲(chǔ)芯片、通信芯片(主要包括基帶芯片和射頻芯片)以及傳感器芯片等。
處理器芯片相當(dāng)于手機(jī)的大腦,是用來(lái)思考、分析和計(jì)算的,包括中央處理器(CPU)和圖形處理器(GPU)。CPU 是手機(jī)的核心控制部件,主要負(fù)責(zé)處理各種計(jì)算任務(wù),如運(yùn)行應(yīng)用程序、處理系統(tǒng)指令等,它決定了手機(jī)的整體響應(yīng)速度和多任務(wù)處理能力。GPU專注于圖形處理,主要任務(wù)是快速渲染圖像和視頻,使得手機(jī)界面流暢,游戲畫(huà)面逼真。
①核心大腦 SoC:我思故我在
在傳統(tǒng)的個(gè)人計(jì)算機(jī)時(shí)代,計(jì)算機(jī)機(jī)箱空間充足,各模塊(如CPU、顯卡、網(wǎng)卡等)可以獨(dú)立安裝。而到了智能手機(jī)時(shí)代,各項(xiàng)功能需要壓縮至手掌大小的設(shè)備中,因此芯片也從單一處理器發(fā)展成為系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC),就是將整個(gè)信息處理系統(tǒng)集成在一塊芯片上。
SoC 是手機(jī)芯片中最重要的概念之一。一般來(lái)說(shuō),它將 CPU、GPU、內(nèi)存控制器、網(wǎng)絡(luò)通信模塊以及其他輔助功能模塊集成在一塊芯片上,因此又被稱為手機(jī)的核心處理器。這種高度集成化設(shè)計(jì)使得智能手機(jī)不僅體積更小、功耗更低,而且性能更強(qiáng)、功能更豐富。我們經(jīng)常聽(tīng)到的高通驍龍、華為麒麟都屬于SoC。
②手機(jī)存儲(chǔ):我的地盤我做主
說(shuō)到手機(jī)的存儲(chǔ)類型,大家經(jīng)常會(huì)把易失性存儲(chǔ)器和非易失性存儲(chǔ)器弄混。易失性存儲(chǔ)器包括隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM),而非易失性存儲(chǔ)器包括只讀存儲(chǔ)器(ROM)。另外,外部?jī)?chǔ)器則是我們熟知的硬盤。
舉個(gè)例子,我們購(gòu)買手機(jī)時(shí),通常會(huì)在其配置參數(shù)中看到例如這樣的描述 :8GB 128GB。8GB 一般是指手機(jī)運(yùn)存,即運(yùn)行內(nèi)存,它是手機(jī)的 RAM,用于臨時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并為程序運(yùn)行提供空間。當(dāng)我們打開(kāi)應(yīng)用、瀏覽網(wǎng)頁(yè)或進(jìn)行其他操作時(shí),相關(guān)數(shù)據(jù)會(huì)被加載到運(yùn)存中,以便 CPU 和其他硬件模塊能夠快速讀取和處理。128GB一般是指 ROM,是手機(jī)的內(nèi)置長(zhǎng)期儲(chǔ)存空間,用來(lái)存儲(chǔ)手機(jī)程序、用戶數(shù)據(jù)等。手機(jī)下載的應(yīng)用、文件、歌曲、照片以及系統(tǒng)文件都儲(chǔ)存在手機(jī)存儲(chǔ)內(nèi)存里。
很多人常常誤以為只要運(yùn)行內(nèi)存和存儲(chǔ)空間越大,手機(jī)就越流暢,手機(jī)賣場(chǎng)里也常常充斥著類似的說(shuō)法。實(shí)際上,影響手機(jī)流暢程度的因素主要是軟件優(yōu)化和硬件配置。就硬件配置來(lái)說(shuō),也不僅僅是運(yùn)行內(nèi)存和存儲(chǔ)空間越大,手機(jī)就越流暢。手機(jī)流暢是從處理器到運(yùn)行內(nèi)存再到調(diào)度存儲(chǔ)內(nèi)存的一個(gè)綜合配合完美的結(jié)果,中間任何環(huán)節(jié)的缺陷都會(huì)造成卡頓。
以倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)輸打比方
這里我們以倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)輸來(lái)打個(gè)比方:存儲(chǔ)內(nèi)存ROM相當(dāng)于倉(cāng)庫(kù),決定了貨物(也就是應(yīng)用和數(shù)據(jù))的存儲(chǔ)總量;運(yùn)行內(nèi)存RAM相當(dāng)于工人用的手推車,決定了工人一次可以搬運(yùn)多少貨物;處理器就是工人,CPU算力即工人本身的能力,決定了搬運(yùn)貨物的效率。即便存儲(chǔ)內(nèi)存(倉(cāng)庫(kù))和運(yùn)行內(nèi)存(手推車)再大,如果CPU(工人能力)有限,搬運(yùn)貨物的速度也不會(huì)太快。
李章勇:二級(jí)教授,博士生導(dǎo)師,重慶郵電大學(xué)黨委常委、副校長(zhǎng),重慶市巴渝學(xué)者特聘教授,重慶市學(xué)術(shù)技術(shù)帶頭人。主要從事復(fù)雜腦動(dòng)力與圖像智能、集成電路設(shè)計(jì)、晶圓多光譜缺陷檢測(cè)等領(lǐng)域的科學(xué)和產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研究。
吳 靜:高級(jí)經(jīng)濟(jì)師,碩士生導(dǎo)師。全國(guó)科普工作先進(jìn)工作者,重慶市省部級(jí)科普基地負(fù)責(zé)人,重慶市科技青年聯(lián)合會(huì)科學(xué)教育專委會(huì)副主任委員,重慶市科普研究會(huì)常務(wù)理事。重慶市青少年創(chuàng)新人才培養(yǎng)計(jì)劃優(yōu)秀項(xiàng)目負(fù)責(zé)人,主理多門芯片科普課程深受好評(píng)。
張紅升:教授,博士生導(dǎo)師,重慶郵電大學(xué)光電學(xué)院院長(zhǎng),重慶市集成電路協(xié)同創(chuàng)新中心主任。設(shè)計(jì)多款 DAB/DMB 基帶芯片,關(guān)鍵指標(biāo)優(yōu)于 TI、Frontier 等國(guó)外芯片,基于該芯片開(kāi)發(fā)的終端已量產(chǎn)并出口歐洲。
第一章 手機(jī):掌心之間的智能助手
1.智能的寶盒
核心大腦 SoC:我思故我在
手機(jī)存儲(chǔ):我的地盤我做主
通信芯片:萬(wàn)水千山變通途
……
2.手機(jī)的成長(zhǎng)經(jīng)歷了什么?
手機(jī)的前身
手機(jī)按兵不動(dòng),芯片悄悄成長(zhǎng)
……
第二章 計(jì)算機(jī):信息時(shí)代的核心工具
1.最強(qiáng)大腦的核芯
中央處理器:大腦之王
圖形處理器:圖形大師 速度達(dá)人
……
2.從巨型機(jī)到智能小精靈的演變
巨型機(jī) ENIAC 的誕生
……
第三章 汽車:駕馭未來(lái)的動(dòng)力
1.車輪上的芯科技
功能芯片:汽車的大腦和神經(jīng)中樞
……
2.從機(jī)械到智能的變遷
初級(jí)芯片推動(dòng)機(jī)械汽車電子化
……
第四章 LED:點(diǎn)亮世界的璀璨之光
1.點(diǎn)亮世界的芯光源
LED 照明芯片:節(jié)能舒適的保障者
……
2.從白熾燈到 LED 的革命
白熾燈的輝煌與局限
……
第五章 通信:聯(lián)通世界的橋梁
1.連接世界的芯力量
USB 芯片:信息傳遞的橋梁
……
2.從有線到無(wú)線的飛躍
電報(bào)與電話的發(fā)明
……
第六章 醫(yī)療:用芯守護(hù)身體健康
1.新時(shí)代的智能醫(yī)生
診斷芯片:醫(yī)生的助手
……
2.醫(yī)療技術(shù)的芯片化進(jìn)程
醫(yī)療設(shè)備的數(shù)字化浪潮
……
第七章 安防:安全進(jìn)入芯時(shí)代
1.安全的芯保障
視頻監(jiān)控芯片:眼觀六路
……
2.智能安防的升級(jí)之路
從機(jī)械鎖到電子鎖
……
第八章 人工智能:像人類一樣思考
1.賦予機(jī)器思維的芯動(dòng)力
機(jī)器學(xué)習(xí)加速器:AI 訓(xùn)練的加速器
……
2.AI 芯片的崛起
AI 的萌芽
……
第九章 物聯(lián)網(wǎng):萬(wàn)物皆可聯(lián)的芯世界
1.萬(wàn)物可聯(lián)的芯技術(shù)
傳感器芯片:感知環(huán)境的觸角
……
2.大有可為的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用
物聯(lián)網(wǎng)概念的提出
……
第十章 云計(jì)算:讓計(jì)算資源無(wú)邊界
1.云計(jì)算:數(shù)字世界的基礎(chǔ)底座
數(shù)據(jù)中心處理器:云計(jì)算的中樞
2.從本地到云端的遷移