NAND闪存101：什么是集成电路？

作者谢恩·格林 | 2023年2月6日 | 全部, NAND闪存101, 技术

本文是系列文章中的第一篇，该系列文章将深入研究群联最重要的产品之一：集成电路。在这里，我们定义什么是集成电路以及它们如何分类。

集成电路（IC）是当今电子产品最基本的基础。 IC 也称为芯片或微芯片，由附着在单块半导体材料（通常是硅）上的一组电子元件组成。

虽然这个描述乍一看似乎很简单，但事实证明比这要复杂一些。

具有多种功能的复杂组件

IC 芯片由大量纳米级电路构成，这些电路连接到称为晶体管的微型开关。这些晶体管是半导体器件，当连接到电压或电流时基本上会变得导电。

为了正确理解这个概念，想象一个具有许多管道和阀门的管道系统。管道输送水，就像 IC 中的微型电路输送电流一样。晶体管是控制的关键点，可以打开或关闭以将电流引导到需要的地方，就像管道系统中的阀门引导水流的方式一样。

通过引导电流流过迷宫般的电路、晶体管和各种其他组件，IC 可以完成各种计算和逻辑处理任务。 IC 有许多潜在的功能——它们可以充当计算机存储器、计数器、定时器等。它们可以放大信号、执行计算，甚至评估决策点并根据结果对代码进行分支。这些基本元素对于组装台式计算机中的 CPU 等复杂设备都至关重要。

集成电路分类

凭借其独特的架构和可能的用途范围，IC 系列树可分为三大类：数字/逻辑、模拟（如汽车中的音频信号或防撞雷达）和存储器（见图 1）

图 1. 所有 IC 均属于具有不同用途的三个主要类别之一。

模拟与数字：一点背景知识

在深入研究每个 IC 组之前，了解数字和模拟之间的区别非常重要。虽然它们都指一种信号类型，但区别在于数据的传输方式。模拟信号是连续波。数字信号由 1 和 0 组成，并且不是连续的——每个 1 或 0 都是一个离散的信息“包”。您可以在图 2 中看到两个波形之间的差异（或者以可视化方式绘制它们的信号形状）。

模拟波非常擅长代表与现实世界相关的事物。想想声波，或者脚撞击地面的压力，逐渐增强的地震的震动等等。从A点到B点总是平稳的。

另一方面，数字信号在技术系统中更常见，因为它们具有明确定义的瞬时起始点和停止点，因此更容易控制、计数、测量和管理。

数字IC

2000年代初期，群联电子由一群年轻工程师在台湾创立，当时他们设计了全球第一颗单芯片USB闪存驱动器控制器IC。该芯片将被归类为数字 IC 的一种。

对于离散信号，电压（或电平）会瞬时上升和下降，这与模拟信号中的电压可以像波浪一样平滑地上升和下降不同。通过离散信号中高点和低点的特定预定电压电平，可以轻松推断出二进制数字（1 和 0）的数据。数字信号和芯片的“清晰”性质对设计人员来说更加友好，特别是随着当今电路设计工具的进步。

图 2. 模拟信号是连续的，而数字信号则被视为离散的。

模拟IC

如上所述，模拟IC的连续波状信号非常擅长代表现实世界中的可变因素，例如电磁波和热辐射。它们通常被部署为信号处理和接口单元，例如滤波器，可以消除、减少或改变信号的特征；或温度传感器，产生与预设温度成比例的电压。

为了说明这一点，让我们回到我们的管道和阀门。通过随机调节水阀并观察总水流量随时间的变化，可以绘制出电流量随时间变化的连续波形。它的工作原理与正确设计的模拟电路相同：您可以使用电流或电压测量值而不是水来绘制波形。

模拟信号的缺点是它们复杂且难以分析。需要进行一系列复杂的数学运算才能将波形转换为更简单的形式，这样它们实际上可以通过简单的观察得出结论。

模拟信号的可变性（在某些用途中是积极的）可以使模拟 IC 变得非常敏感，因为它们的容错能力较低。这意味着它们不太擅长在电路、硬件配置或用户设计出现任何小错误的情况下运行，并且可能会出现故障，甚至最终损害整个系统的完整性。

话虽如此，模拟 IC 在复杂系统设计中的重要性不容忽视——历史上大多数电子设备都是从模拟信息处理开始的。如今，模拟 IC 仍然很常见，并且在复杂系统和模块的设计中经常与数字 IC 结合使用。

内存IC

存储器 IC 的目的是存储数据。在过去的十年中，NAND闪存作为一种长期存储介质特别受欢迎，因为它可以在断电时保留信息并且没有移动部件。这种类型的数据保留也称为非易失性。相比之下，RAM 等易失性存储器速度很快，但在断电时会丢失数据。今天的工程师可以根据目标应用程序的数据访问的预计频率使用易失性或非易失性存储器。

如今所有存储器 IC 的一个共同点是它们都需要数字控制器 IC 才能提供有用的解决方案。在电路板上安装存储器 IC，而没有控制器 IC 来驱动它们，就像拥有一辆拥有最好车轮但没有发动机的汽车一样。

这又回到了我们之前讨论过的数字 IC。第一个 USB 闪存控制器是由 Phison 开发的数字 IC，用于特定功能：数据存储。这些类型的 IC 通常称为专用 IC (ASIC)，它不同于用于 CPU 和 GPU 中通用计算的通用 IC。虽然 ASIC 应用范围从简单的车载信息娱乐系统到国家电信网络控制系统，但群联的 ASIC 旨在控制安装有 NAND 闪存 IC 的存储设备。

不同的存储器 IC 可能需要独特的“驱动”方式来满足应用需求。这些独特的要求是通过IC定制来实现的。定制的程度决定了功能和特性的灵活性。