電腦究竟有多少個芯片？

什么是芯片？

我們所說的芯片（Chip），其實就是集成電路的另一個說法，也可以被稱作微電路（00）、微芯片（MicroChip）（圖2），其本質(zhì)就是將電路（主要包括半導(dǎo)體設(shè)備，也包括被動組件等）集中制造在半導(dǎo)體晶圓表面上的小型化方式。

像CPU這一類的芯片，我們可以將其稱作超大規(guī)模集成電路，因為它內(nèi)部擁有數(shù)量即為驚人的晶體管，甚至有些芯片展開后，可以達到一座城市的規(guī)模水平——只不過通過更先進的制程工藝（納米為單位），微縮到一個極小的單位內(nèi)而已（圖3）。芯片最大的優(yōu)勢就在于此。

③

芯片大致可以分為數(shù)字集成電路、模擬集成電路以及混合集成電路（模擬和數(shù)字在一個芯片上）三種，還是拿CPU舉例，它屬于數(shù)字集成電路。數(shù)字集成電路可以包含任何東西，在幾平方毫米上有從幾千到百萬乃至上億個邏輯門、觸發(fā)器、多任務(wù)器和其他電路（圖4）。數(shù)字集成電路的工作使用二進制模式，處理0和1兩種信號。而模擬集成電路中，主要包含傳感器、電源控制電路以及運放，用來處理模擬信號。模擬集成電路的工作主要負(fù)責(zé)放大、濾波、解調(diào)、混頻等等。

至于混合集成電路，它將前二者集成到一個芯片之上，主要是為了負(fù)責(zé)處理數(shù)（字）模（擬）轉(zhuǎn)換的工作，但是，在如此小巧、面積有限的體積內(nèi)集成數(shù)字電路和模擬電路，就必須對信號沖突做特別設(shè)計，否則將無法正常工作。電腦上這大大小小的芯片，幾乎都屬于單純的數(shù)字電路或者模擬電路，數(shù)（字）模（擬）轉(zhuǎn)換的混合集成電路很少。

可能會有讀者發(fā)現(xiàn)，既然集成電路可以做到“海納百川”，為什么不能把所有芯片都放置在同一個芯片上？其實并不是沒有，所有芯片放置在一起，被稱作SoC（System on a Chip）、SIP（System in a Package），它們可以容納下幾乎所有必備的“功能組件”，包括：

1. 微控制器或微處理器、數(shù)字信號處理器，或者是多個中央控制核心

2. 存儲器則可以是只讀存儲器、隨機存取存儲器、EEPROM和閃存中的一種或多種

3. 用于提供時間脈沖信號的振蕩器和鎖相環(huán)電路

4. 由計數(shù)器和計時器、電源電路組成的外部設(shè)備

5. 不同標(biāo)準(zhǔn)的連線接口，如通用串行總線、太網(wǎng)、通用異步收發(fā)和序列周邊接口等

6. 用于在數(shù)字信號和模擬信號之間轉(zhuǎn)換的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器

7. 電壓調(diào)理電路以及穩(wěn)壓器

例如你看到的手機用芯片，就屬于SoC、SIP產(chǎn)品。不過，它們也沒有集成存儲等芯片。之所以還要區(qū)分出兩個不同的類型，是因為SoC是單一芯片，上述所有功能部分都設(shè)計在同一個芯片之內(nèi)（圖5）;而SIP雖然“看起來”還是一個芯片，實際上其內(nèi)部是多個功能芯片封裝在一起（圖6），而非原生單芯片。

那么為何電腦不能使用SoC、SIP的芯片呢？第一是因為體積需求不同，電腦的空間遠非手機可比，龐大的空間可以讓設(shè)計更有寬裕度;其次是個人電腦屬于通用性設(shè)備，它需要具備極強的擴展性以及可更換性，如果是“大一統(tǒng)”的全集成，這個要求就無法實現(xiàn);第三是散熱問題難以解決，強如擁有1140億晶體管的蘋果最新M1 Ultra CPU，也只是集成了CPU、A I引擎、圖像處理器（ISP）、NVM存儲、Thunderbolt 4控制器和Secure Enclave、片上高速內(nèi)存的SIP產(chǎn)品，無法進行進一步的集成，原因就是無論從體積（封裝面積達到RyzenCPU的三倍）（圖7）還是制程工藝（5nm）來看，都已經(jīng)是當(dāng)下的極限了，再大將無法控制散熱問題，更不要說直接將這些部分直接集成為SoC了。

最后就是成產(chǎn)成本問題，芯片的生產(chǎn)是有良品率概念的， 一旦良品率不高，同一塊晶圓上的芯片廢品率增加，那么生產(chǎn)成本將幾何倍數(shù)增長，這對廠商來說無法接受，對用戶而言也不可接受，畢竟售價體現(xiàn)了成本。

好了，現(xiàn)在我們就要真正“走入”電腦，看看都有哪些芯片吧！

EC、SIO芯片

電腦啟動的第一步是什么？通電開機對不對？按下開關(guān)后電腦啟動，通常情況下我們認(rèn)為的電腦是從自檢開始，其實不然。在電腦通電的開關(guān)按下之后，第一個參與工作的是I/O芯片（圖8）。I/O是英文Input/Output的縮寫，意思是輸入與輸出。I/O芯片的功能主要是為用戶提供一系列輸入、輸出接口，鼠標(biāo)/鍵盤接口（PS/2接口）、串口（COM口）、并口、USB接口、軟驅(qū)口等統(tǒng)一由I/O芯片控制。部分I/O芯片還能提供系統(tǒng)溫度檢測功能，用戶在BIOS中看到的系統(tǒng)溫度最原始的來源就是這里提供的。I/O芯片的供電一般為5V和3.3V，I/O芯片直接受南橋芯片控制，如果I/O芯片出現(xiàn)問題，輕則會使某個或全部I/O設(shè)備無法正常工作，重則會造成整個系統(tǒng)的癱瘓。假如主板找不到鍵盤或串講口失靈，很可能是為它們提供服務(wù)的I/O芯片出現(xiàn)了不同程度的損壞。大家平時所說的熱插拔操作就是針對保護I/O芯片提出的，因為在進行熱插拔操作時會產(chǎn)生瞬間大電流，很可能燒壞I/O芯片。

先以筆記本電腦來說明，這個I/O芯片在筆記本電腦上的名稱是EC芯片（圖9），即Embedded Controller（擴展控制器）。它是一個16位的芯片（主板BIOS芯片是32位、CPU處理器是64位），它其實掌控著筆記本的方方面面。

EC芯片其實脫胎于筆記本鍵盤控制器，經(jīng)過發(fā)展成為獨立的一級芯片（圖10），用以控制筆記本電腦。舉例來說，插上筆記本電源后，充電控制、電源指示燈，都是由EC芯片控制;當(dāng)筆記本電腦、乃至臺式機電腦過熱的時候，系統(tǒng)散熱風(fēng)扇開始提高速度，這個溫控散熱的工作，其實是由EC芯片來負(fù)責(zé)執(zhí)行的。

別以為EC芯片只有在開機才工作，即便是關(guān)機狀態(tài)，只要有電源接駁（包括筆記本電池），EC芯片都會工作。甚至，EC芯片還會與充電器“握手協(xié)商”，給筆記本供應(yīng)什么樣電壓的電力（使用PD充電器時，先以5V電壓輸入，與EC芯片握手確認(rèn)充電協(xié)議，反饋信息給電源后，再以合適的電壓，例如20V給筆記本供電）。

顯然，這是單純電路不能完成的工作，因此EC芯片需要自己的固件（Firmware）來控制，也就是俗稱帶程序的EC芯片（早期EC芯片沒有程序），通過內(nèi)置的固件（程序）來執(zhí)行設(shè)定好的“任務(wù)”（圖11）。這個固件存放的地方一般有兩個，第一種是帶有存儲空間（非易失性存儲），第二種情況是EC芯片自身沒有存儲空間，它的固件程序會被放置在BIOS芯片中。

其實，用I/O芯片來指代EC芯片并不嚴(yán)謹(jǐn)，畢竟現(xiàn)在它不止控制I/O輸入輸出接口那么簡單了。最初，它是對主芯片，例如CPU、PCH或Soc的I/O端口擴展，比如筆記本鍵盤、觸摸板控制等等。不知道你發(fā)現(xiàn)問題了沒有？這不是應(yīng)該屬于BIOS的“工作”嗎？為什么EC芯片也要參與？BIOS芯片的全稱是“Basic Input Output System”基本輸入輸出系統(tǒng)，它的工作主要就是初始化設(shè)備（筆記本、臺式機）的硬件，當(dāng)然包括諸如鍵盤、鼠標(biāo)等外設(shè)。

但是，這二者之間（EC vs BIOS）并不是對立、重疊關(guān)系，相反，它們在“工作”中屬于互相配合的存在。

首先由EC芯片進行電源管理，開機后“交由”BIOS工作，而BIOS在啟動運行的過程中會不斷與EC交互溝通，確保一切無誤后，BIOS才會引導(dǎo)操作系統(tǒng)。

相比于筆記本電腦使用的EC芯片，臺式機電腦也有個類似的芯片，名稱為SIO（圖12），全稱是Super Input Output即超級輸入輸出，它和EC芯片的作用相似，也能控制諸如鍵盤、風(fēng)扇等等設(shè)備。但它和EC芯片的區(qū)別在于，SIO沒有獨立的固件程序，初始化和配置操作全部由BIOS管理——通俗的理解是，筆記本電腦的EC芯片帶“程序”而臺式機電腦的SIO芯片沒有“程序”。其實，除了這一點之外，二者就沒有什么差別了。

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BIOS ROM芯片

EC/SIO芯片工作的下一步自然就是BIOS ROM芯片（圖13）的工作，BIOS專門負(fù)責(zé)系統(tǒng)硬件各種參數(shù)設(shè)定，本質(zhì)上是“程序”，也就是一組“代碼”。BIOS被存儲在BIOS ROM芯片中，是特指存儲BIOS程序的一塊特定的ROM芯片，本質(zhì)上，BIOS ROM芯片是一個非易失性存儲器（EEPROM），方便廠商維護更新BIOS程序。注意，這里的BIOS是指代BIOS和UEFI（Unified Extensible Firmware Interface，統(tǒng)一可擴展固件接口）的，現(xiàn)如今UEFI已經(jīng)取代了BIOS，只是普遍的用語習(xí)慣還是叫做BIOS罷了。

BIOS是相對固化的一個“系統(tǒng)”，是個人電腦啟動時加載的第一個程序（圖14），當(dāng)然，在帶有程序EC芯片的筆記本電腦上，它就是第二個了。BIOS的作用是初始化和測試硬件組件，以及從大容量存儲設(shè)備（如硬盤）加載啟動程序，并由啟動程序加載操作系統(tǒng);當(dāng)加載操作系統(tǒng)后，BIOS通過系統(tǒng)管理模式為操作系統(tǒng)提供硬件抽象。

當(dāng)電腦的電源開啟經(jīng)由EC、SIO芯片后，BIOS就會從主板上的ROM芯片執(zhí)行，BIOS首先連接到PCH芯片，然后是CPU中的北橋（MCH），最后“連通”CPU。然后會執(zhí)行加電自檢（POST），測試和初始化RAM、直接存儲器訪問控制器、鍵盤、硬盤等設(shè)備。當(dāng)所有的Option ROM被加載后，BIOS就試圖從啟動設(shè)備（如硬盤、USB存儲器）加載啟動程序，由啟動程序加載操作系統(tǒng)。

現(xiàn)在的BIOS有“啟動區(qū)塊”（BootBlock）這樣一個設(shè)計，屬于BIOS ROM的一部分，一引導(dǎo)就會被執(zhí)行。這個程序會在執(zhí)行BIOS 前，驗證BIOS其他部分是否正確無誤（經(jīng)由檢驗和等等）。如果啟動區(qū)塊偵測到主要的BIOS（圖15）已損壞，則可自動讀取閃存盤/光盤中的特定BIOS文件并更新BIOS。主板廠商/OEM經(jīng)常發(fā)出BIOS升級來更新他們的產(chǎn)品和修正已知的問題。

供電芯片

在電腦通電開機之后，供電電路就會根據(jù)“指示”，為CPU、內(nèi)存、PCH芯片等設(shè)備進行供電。那么，供電還要芯片嗎？當(dāng)然需要，而且非常重要！一般來說，CPU供電主要采用開關(guān)電源電路， 這是通過控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時間和比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種供電模式。組成一組完整的開關(guān)電源電路通常需要有電容、電感、MosFET場效應(yīng)管以及PWM脈沖寬度調(diào)制芯片四類元件組成，本文中我們不談及供電的原理方式，主要談?wù)劰╇娦酒狿WM。

PWM芯片是開關(guān)電路控制模塊的重要組成之一，它控制著電壓輸出的高低、電流的大小，它起到了決定性作用。所謂的PWM實際是縮寫，全稱為Pulse Width Modulation，即脈沖寬度調(diào)制，其屬于我們談到的“混合集成電路”。它是利用數(shù)字輸出的方式對模擬電路進行控制的，可以對模擬信號電平進行數(shù)字編碼，并依靠改變脈沖的寬度來控制電壓的輸出、改變脈沖調(diào)制周期來控制輸出的頻率（圖16）。

除了傳統(tǒng)PWM芯片，現(xiàn)在還流行的一種供電芯片——數(shù)字式PWM芯片（圖17），準(zhǔn)確稱謂應(yīng)該是“集成化數(shù)控供電模塊”。它將原本對供電原件輸出的模擬信號改為數(shù)字信號，這樣一來，輸出的功率會更精準(zhǔn)，尤其對高頻CPU來說，這樣運行會更加穩(wěn)定。而且，因為該用貼片式設(shè)計，它的散熱問題也迎刃而解，只是成本成倍增長，所以還沒有完全取代傳統(tǒng)PWM芯片。

PCH芯片（芯片組）

電腦啟動，“調(diào)整”好輸入輸出設(shè)備，并提供正確的電壓電流后，再經(jīng)過自檢，就要“啟用”PCH芯片（芯片組）（圖18）了。所謂PCH，全稱為Platform Controller Hub，即平臺路徑控制器，它負(fù)責(zé)取代以往的I/O路徑控制器（I/OController Hub），即ICH南橋芯片。

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在PCH出現(xiàn)之前，主板通常有兩塊主要的芯片構(gòu)成芯片組，也就是傳統(tǒng)稱謂上的南橋和北橋（圖19）?？拷麮PU的芯片為北橋芯片，遠離CPU的則為南橋芯片。南橋芯片主要負(fù)責(zé)低速的I/O，例如SATA、USB和LAN，北橋芯片負(fù)責(zé)較高速的PCIe和內(nèi)存控制器的讀取交互。

隨著CPU的不斷發(fā)展，這種構(gòu)架帶來了極大的瓶頸，尤其是北橋和CPU之間的通信速度遠遠不能滿足性能需求，所以，現(xiàn)在的CPU都是直接集成了存儲器控制器、核芯顯卡、高速PCIe控制器，而原本ICH南橋芯片的工作交由PCH芯片管理。

某種程度上，PCH芯片可以看做電腦連接設(shè)備的“大管家”，負(fù)責(zé)諸多計算之外的設(shè)備“管理任務(wù)”，并通過專用的通道（總線）和CPU連接協(xié)同工作。

聲卡Codec芯片

還有人在意聲卡是什么規(guī)格嗎？為什么現(xiàn)在的聲卡都沒有太多的著墨，是廠商不重視嗎？當(dāng)然不是，這根本的原因，還是在于聲卡芯片的特性……

現(xiàn)在所有的半載聲卡，都是屬于H DAudio規(guī)范下的產(chǎn)物，然而它并不是真正的“聲卡”，準(zhǔn)確的說，這個芯片只負(fù)責(zé)聲卡的部分工作，其余的部分交由CPU處理。HDAudio全稱High Definition Audio，即高保真音頻，是英特爾與杜比（Dolby）公司合力推出的新一代音頻規(guī)范，它是為取代AC' 97音頻規(guī)范而生的。它是一種軟硬混合的音頻規(guī)范，主要I/O控制器部分在集成于PCH芯片，DSP部分由CPU負(fù)責(zé)處理，而所謂的板載聲卡芯片，只是數(shù)模轉(zhuǎn)換的Codec芯片（圖20）而已。

（21）

Codec芯片同時具有D/A（數(shù)字訊號轉(zhuǎn)換成模擬訊號）和A/D（模擬訊號轉(zhuǎn)換成數(shù)字訊號）轉(zhuǎn)換功能，因此，它也是一顆“混合集成電路”（圖21）。

網(wǎng)卡芯片

一如聲卡芯片不是聲卡，板載網(wǎng)卡，或者叫Integrated LAN，也不是真正的網(wǎng)卡。以有線網(wǎng)絡(luò)來說，以太網(wǎng)接口可分為協(xié)議層和物理層。 協(xié)議層是由一個叫MAC（Media Access Layer，媒體訪問層）控制器的單一模塊實現(xiàn)。物理層由兩部分組成，即PHY（Physical Layer）物理層，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)和傳輸。 常見的網(wǎng)卡芯片都是把MAC和PHY集成在一個芯片中（圖22），但目前很多主板的PCH芯片已包含了以太網(wǎng)MAC控制功能，只是未提供物理層接口，因此，需外接PHY芯片以提供以太網(wǎng)的接入通道。

（22）

所以，很多主板上看到的主板板載網(wǎng)卡芯片，其實是PHY芯片罷了。那么，板載網(wǎng)卡究竟如何判斷是硬網(wǎng)卡還是軟網(wǎng)卡？以英特爾網(wǎng)卡為例，如果對一個網(wǎng)卡芯片的描述是XX ethernet connection，這就是軟網(wǎng)卡;如果描述是XX ethernet controller，則是硬網(wǎng)卡，關(guān)鍵的描述區(qū)別就在于“connection”還是“controller”。此外，如果一塊主板上有兩個（或更多）網(wǎng)絡(luò)接口（圖23），那么第二個接口使用的網(wǎng)卡必然是硬網(wǎng)卡——因為PCH芯片通常只集成一個MAC。

（23）

CPU（圖24）和GPU芯片自然不用過多著墨，這兩個部分可謂是電腦的核心芯片了，不過要注意，帶有集成顯卡的CPU可以省去一個芯片，不需要額外的GPU（也要看個人使用需求，畢竟獨立顯卡性能一般要強于集成顯卡），它們的作用也無需筆者多言;還有一些周邊的連接設(shè)備，例如USB控制器、SATA控制器，它們本是為拓展電腦的外部接口而生，本身的核心功能和CPU、PCH芯片集成的相差不大。當(dāng)然，這些接口實際都是連接到PCH芯片的PCIe通道上的，也就是說，USB控制器、SATA控制器這類設(shè)備，甚至是網(wǎng)卡設(shè)備，都不是無限增加的，在總帶寬、總通道數(shù)的限制之下。

這些林林總總的芯片加在一起，再輔以電路連接，才能構(gòu)成一個完整的電腦（圖25），而不是某一個芯片“大包大攬”。一如前文所述，電腦的芯片無論從經(jīng)濟效益上、生產(chǎn)成本上，還是使用的便利性（如拓展性、功能性）上，不可能做到一個芯片取代所有。當(dāng)然在功能性上，CPU確實有著集成度越來越高的情況，例如從早期浮點、整數(shù)計算單元的集成，到后來北橋芯片被CPU集成，乃至于發(fā)展到網(wǎng)卡、聲卡的集成，但是，這不代表CPU可以集成一切。