NAND閃存101：什麼是集成電路？

作者謝恩·格林 | 2023年2月6日 | 全部, NAND閃存101, 技術

本文是系列文章中的第一篇，該系列文章將深入研究群聯最重要的產品之一：集成電路。在這裡，我們定義什麼是集成電路以及它們如何分類。

集成電路（IC）是當今電子產品最基本的基礎。 IC 也稱為芯片或微芯片，由附著在單塊半導體材料（通常是矽）上的一組電子元件組成。

雖然這個描述乍一看似乎很簡單，但事實證明比這要復雜一些。

具有多種功能的複雜組件

IC 芯片由大量納米級電路構成，這些電路連接到稱為晶體管的微型開關。這些晶體管是半導體器件，當連接到電壓或電流時基本上會變得導電。

為了正確理解這個概念，想像一個具有許多管道和閥門的管道系統。管道輸送水，就像 IC 中的微型電路輸送電流一樣。晶體管是控制的關鍵點，可以打開或關閉以將電流引導到需要的地方，就像管道系統中的閥門引導水流的方式一樣。

通過引導電流流過迷宮般的電路、晶體管和各種其他組件，IC 可以完成各種計算和邏輯處理任務。 IC 有許多潛在的功能——它們可以充當計算機存儲器、計數器、定時器等。它們可以放大信號、執行計算，甚至評估決策點並根據結果對代碼進行分支。這些基本元素對於組裝台式計算機中的 CPU 等複雜設備都至關重要。

集成電路分類

憑藉其獨特的架構和可能的用途範圍，IC 系列樹可分為三大類：數字/邏輯、模擬（如汽車中的音頻信號或防撞雷達）和存儲器（見圖 1）

圖 1. 所有 IC 均屬於具有不同用途的三個主要類別之一。

模擬與數字：一點背景知識

在深入研究每個 IC 組之前，了解數字和模擬之間的區別非常重要。雖然它們都指一種信號類型，但區別在於數據的傳輸方式。模擬信號是連續波。數字信號由 1 和 0 組成，並且不是連續的——每個 1 或 0 都是一個離散的信息“包”。您可以在圖 2 中看到兩個波形之間的差異（或者以可視化方式繪製它們的信號形狀）。

模擬波非常擅長代表與現實世界相關的事物。想想聲波，或者腳撞擊地面的壓力，逐漸增強的地震的震動等等。從A點到B點總是平穩的。

另一方面，數字信號在技術系統中更常見，因為它們具有明確定義的瞬時起始點和停止點，因此更容易控制、計數、測量和管理。

數字IC

2000年代初期，群聯電子由一群年輕工程師在台灣創立，當時他們設計了全球第一顆單芯片USB閃存驅動器控制器IC。該芯片將被歸類為數字 IC 的一種。

對於離散信號，電壓（或電平）會瞬時上升和下降，這與模擬信號中的電壓可以像波浪一樣平滑地上升和下降不同。通過離散信號中高點和低點的特定預定電壓電平，可以輕鬆推斷出二進制數字（1 和 0）的數據。數字信號和芯片的“清晰”性質對設計人員來說更加友好，特別是隨著當今電路設計工具的進步。

圖 2. 模擬信號是連續的，而數字信號則被視為離散的。

模擬IC

如上所述，模擬IC的連續波狀信號非常擅長代表現實世界中的可變因素，例如電磁波和熱輻射。它們通常被部署為信號處理和接口單元，例如濾波器，可以消除、減少或改變信號的特徵；或溫度傳感器，產生與預設溫度成比例的電壓。

為了說明這一點，讓我們回到我們的管道和閥門。通過隨機調節水閥並觀察總水流量隨時間的變化，可以繪製出電流量隨時間變化的連續波形。它的工作原理與正確設計的模擬電路相同：您可以使用電流或電壓測量值而不是水來繪製波形。

模擬信號的缺點是它們複雜且難以分析。需要進行一系列複雜的數學運算才能將波形轉換為更簡單的形式，這樣它們實際上可以通過簡單的觀察得出結論。

模擬信號的可變性（在某些用途中是積極的）可以使模擬 IC 變得非常敏感，因為它們的容錯能力較低。這意味著它們不太擅長在電路、硬件配置或用戶設計出現任何小錯誤的情況下運行，並且可能會出現故障，甚至最終損害整個系統的完整性。

話雖如此，模擬 IC 在復雜系統設計中的重要性不容忽視——歷史上大多數電子設備都是從模擬信息處理開始的。如今，模擬 IC 仍然很常見，並且在復雜系統和模塊的設計中經常與數字 IC 結合使用。

內存IC

存儲器 IC 的目的是存儲數據。在過去的十年中，NAND閃存作為一種長期存儲介質特別受歡迎，因為它可以在斷電時保留信息並且沒有移動部件。這種類型的數據保留也稱為非易失性。相比之下，RAM 等易失性存儲器速度很快，但在斷電時會丟失數據。今天的工程師可以根據目標應用程序的數據訪問的預計頻率使用易失性或非易失性存儲器。

如今所有存儲器 IC 的一個共同點是它們都需要數字控制器 IC 才能提供有用的解決方案。電路板上有存儲器 IC，而沒有控制器 IC 來驅動它們，就像擁有一輛擁有最好車輪但沒有發動機的汽車一樣。

這又回到了我們之前討論過的數字 IC。第一個 USB 閃存控制器是由 Phison 開發的數字 IC，用於特定功能：數據存儲。這些類型的 IC 通常稱為專用 IC (ASIC)，它不同於用於 CPU 和 GPU 中通用計算的通用 IC。雖然 ASIC 應用範圍從簡單的車載信息娛樂系統到國家電信網絡控制系統，但群聯的 ASIC 旨在控制安裝有 NAND 閃存 IC 的存儲設備。

不同的存儲器 IC 可能需要獨特的“驅動”方式來滿足應用需求。這些獨特的要求是通過IC定制來實現的。定制的程度決定了功能和特性的靈活性。