編者按：在過往，在很多關(guān)于芯片的文章中，相信你應(yīng)該見過了不少的概念科普。但這篇應(yīng)該是你從來都沒有看過的硬核科普。該篇文章的作者從原理出發(fā)，抽絲剝繭地介紹每一個(gè)概念，幫助大家去了解不同的概念。

以下為文章全文：

ALUs和CPUs

最近我一直在思考這個(gè)問題，下文是我的解釋。計(jì)算機(jī)的核心是一個(gè)稱為算術(shù)邏輯單元（ALU）的功能塊。毫不奇怪，這是執(zhí)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算的地方，比如算術(shù)上兩個(gè)數(shù)字相加求和、邏輯上兩個(gè)數(shù)值進(jìn)行“與”運(yùn)算。

算術(shù)邏輯單元（ALU）是計(jì)算機(jī)的核心

（圖片來源：Max Maxfield）

請注意，我沒有用任意形狀表示ALU，這種‘Y’字形是工程師通常使用的符號(hào)，因?yàn)锳LU接受兩個(gè)輸入值并返回一個(gè)輸出。

當(dāng)我們將ALU與一系列寄存器（另請參閱“寄存器vs鎖存器vs觸發(fā)器”）、一些指令邏輯、一些尋址邏輯和一些控制邏輯結(jié)合在一起使用時(shí)，我們最終會(huì)得到一個(gè)中央處理器（CPU）。請注意，在這種情況下，當(dāng)我們說“邏輯”時(shí)，我們指的是用于形成數(shù)字電子系統(tǒng)的原始邏輯門和寄存器元件。

中央處理器（CPU）是計(jì)算機(jī)的大腦

（圖片來源：Max Maxfield）

中央處理器負(fù)責(zé)通過執(zhí)行由指令指定的算術(shù)、邏輯、控制和輸入/輸出（I/O）操作來執(zhí)行形成計(jì)算機(jī)程序的指令。

內(nèi)存和CPU—內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)

為了讓CPU發(fā)揮魔力，它需要訪問用于存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)的內(nèi)存子系統(tǒng)。這就是事情變得有點(diǎn)棘手的地方，因?yàn)橛袃煞N基本的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，稱為馮·諾伊曼（或普林斯頓）體系結(jié)構(gòu)和哈佛體系結(jié)構(gòu)。

在馮·諾伊曼/普林斯頓體系結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)和指令都存儲(chǔ)在相同的物理存儲(chǔ)空間中，并使用相同的地址、數(shù)據(jù)和控制總線進(jìn)行訪問。相比之下，在哈佛體系結(jié)構(gòu)中，指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在物理上不同的存儲(chǔ)器件中，使用它們自己的總線進(jìn)行訪問。

基本計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)：馮·諾依曼/普林斯頓、哈佛和改良哈佛

（圖片來源：Max Maxfield）

還有一種風(fēng)格稱為“改良哈佛體系結(jié)構(gòu)”，其中指令和數(shù)據(jù)共享相同的物理存儲(chǔ)器件，但是使用它們自己的總線進(jìn)行訪問（特殊的機(jī)制可以防止指令被誤認(rèn)為數(shù)據(jù)，反之亦然）。

在接下來的討論中，我們將重點(diǎn)討論馮·諾依曼/普林斯頓架構(gòu)（因?yàn)樗鼘ξ襾碚f更容易畫），但是我們討論的所有內(nèi)容都適用于所有三種體系結(jié)構(gòu)。

有緩存嗎？

計(jì)算機(jī)的一個(gè)問題是，指令和數(shù)據(jù)在主存儲(chǔ)器和CPU之間來回傳遞需要相對較長的時(shí)間。問題是，絕大多數(shù)的程序都包含大量的小循環(huán)，在這些小循環(huán)中，相同的操作被一次又一次地執(zhí)行。解決方案是創(chuàng)建一個(gè)（相對）較小的高速內(nèi)存，稱為高速緩存，以及一個(gè)特殊的高速緩存控制器，它位于CPU附近，保存經(jīng)常訪問的指令和數(shù)據(jù)的副本。

高速緩存是一個(gè)（相對）小的高速內(nèi)存，位于CPU附近

（圖像來源：Max Maxfield）

請注意，上圖是一個(gè)粗略的簡化圖?，F(xiàn)代處理器有獨(dú)立的指令和數(shù)據(jù)緩存。此外，還有一個(gè)稱為L1、L2、L3等的緩存層次結(jié)構(gòu)。（其中“L”代表“Level”，即級(jí)別）。L1緩存是最小、最快、最靠近CPU的緩存。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須考慮的一個(gè)問題是，確保CPU對緩存內(nèi)容所做的任何更改隨后都反映在主內(nèi)存中（如果合適的話）。同步緩存和主內(nèi)存的內(nèi)容，同時(shí)保持這些內(nèi)容的完整性是一項(xiàng)極其復(fù)雜的任務(wù)，因此你會(huì)很高興地發(fā)現(xiàn)，我們在這里將不再進(jìn)一步討論它。

然而，我們必須提的一件事是緩存一致性，它在擁有多個(gè)CPU（每個(gè)CPU都有自己的高速緩存子系統(tǒng)）共享公共內(nèi)存資源的系統(tǒng)中開始顯露出問題。

當(dāng)多個(gè)CPU共享公共內(nèi)存資源時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)問題

（圖片來源：Max Maxfield）

正如維基百科告訴我們的：“在一個(gè)共享內(nèi)存多處理器系統(tǒng)中，每個(gè)處理器都有一個(gè)單獨(dú)的高速緩存，因此可能有多個(gè)共享數(shù)據(jù)副本：一個(gè)副本在主存儲(chǔ)器中，一個(gè)副本在請求它的每個(gè)處理器的本地高速緩存中。當(dāng)數(shù)據(jù)的一個(gè)副本發(fā)生更改時(shí)，其他副本必須反映這個(gè)更改。緩存一致性是確保共享操作數(shù)（數(shù)據(jù)）值的變化在整個(gè)系統(tǒng)中及時(shí)傳播的規(guī)則?！蔽易约赫f得再好不過了。

添加FPU

早期的CPU使用重復(fù)加法進(jìn)行整數(shù)乘法運(yùn)算。他們還使用了非常復(fù)雜的技術(shù)來進(jìn)行整數(shù)除法運(yùn)算。（另請參閱“計(jì)算機(jī)如何進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算”）。沒過多久，設(shè)計(jì)師就開始添加特殊的乘法器/除法器功能。

類似地，許多早期的CPU被設(shè)計(jì)為執(zhí)行定點(diǎn)算術(shù)運(yùn)算。當(dāng)涉及到更復(fù)雜的浮點(diǎn)運(yùn)算時(shí)，這些是通過將浮點(diǎn)運(yùn)算分解成更簡單的運(yùn)算序列并使用定點(diǎn)架構(gòu)來執(zhí)行這些運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)的。

隨著人們越來越多地使用計(jì)算機(jī)，人們希望自己的計(jì)算機(jī)運(yùn)行得越來越快，實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的一種方法是添加一個(gè)特殊的浮點(diǎn)運(yùn)算單元（FPU）。FPU的作用是對浮點(diǎn)數(shù)執(zhí)行加、減、乘、除、平方根和移位操作。

FPU對浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行運(yùn)算

（圖片來源：Max Maxfield）

FPU作為一個(gè)單獨(dú)的功能單元來實(shí)現(xiàn)是很常見的，但將一個(gè)或多個(gè)FPU集成為CPU中的特殊執(zhí)行單元也并不少見。

內(nèi)存保護(hù)和管理：MPUs和MMUs

內(nèi)存保護(hù)單元允許特權(quán)軟件（如操作系統(tǒng)）定義內(nèi)存中的區(qū)域，并為這些區(qū)域分配訪問權(quán)限和屬性。

添加內(nèi)存保護(hù)單元（MPU）

（圖片來源：Max Maxfield）

MPU監(jiān)視CPU和內(nèi)存之間的事務(wù)，并在檢測到訪問違規(guī)時(shí)發(fā)出警報(bào)（觸發(fā)故障異常）。MPU的主要目的是防止程序訪問沒有分配給它的內(nèi)存。這可以防止普通程序或惡意軟件程序中的無辜錯(cuò)誤影響其他進(jìn)程或操作系統(tǒng)本身。

層次結(jié)構(gòu)的下一步是使用內(nèi)存管理單元（MMU），它通過附加功能增強(qiáng)了內(nèi)存保護(hù)單元（MPU）的功能。

將內(nèi)存保護(hù)單元升級(jí)為內(nèi)存管理單元（MMU）

（圖片來源：Max Maxfield）

這就是事情開始變得有點(diǎn)棘手的地方。最簡單的級(jí)別是在“裸機(jī)”上運(yùn)行單個(gè)程序，裸機(jī)指的是計(jì)算機(jī)直接在中央處理器上執(zhí)行程序，沒有中間的操作系統(tǒng)。在這種情況下，可以使用絕對（物理）地址編譯程序。

更復(fù)雜的系統(tǒng)運(yùn)行一種叫做操作系統(tǒng)（OS）的特殊程序。操作系統(tǒng)允許用戶同時(shí)運(yùn)行多個(gè)程序。以你自己的個(gè)人計(jì)算機(jī)為例，你可能在計(jì)算機(jī)上同時(shí)運(yùn)行文字處理程序、圖像程序和電子郵件程序。其工作方式是使用相對尋址來編譯這些程序。MMU的任務(wù)是將程序中的虛擬地址轉(zhuǎn)換成主內(nèi)存中的物理地址。

請注意，由于MMU包含了MPU的功能，因此它們是相互排斥的——一個(gè)系統(tǒng)可以有MMU，也可以有MPU（或兩個(gè)都沒有），但不能同時(shí)有兩個(gè)。

微處理器和微控制器

如今，當(dāng)我們使用“計(jì)算機(jī)”一詞時(shí)，大多數(shù)人（非工程師）通常會(huì)想到他們的臺(tái)式機(jī)、筆記本電腦或平板電腦。相比之下，根據(jù)不同的領(lǐng)域，工程師可能會(huì)想到工作站或服務(wù)器，或想到微處理器和微控制器。

然而，在我們開始討論微處理器和微控制器之前，我們應(yīng)該注意，上面討論的所有概念一般都適用于計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。例如，大約在20世紀(jì)60年代早期的計(jì)算機(jī)是由一屋子的被稱為“大型機(jī)”的大柜子組成的。每個(gè)機(jī)柜都有不同的功能，比如CPU或主存儲(chǔ)器。通俗地說，這種類型的計(jì)算機(jī)被稱為“大鐵”機(jī)器。

大約在20世紀(jì)70年代作為集成電路（“芯片”）實(shí)現(xiàn)的第一批CPU被稱為微處理器（μP）。后來，它們開始被稱為微處理器/微處理單元（MPU）。如今，μP和MPU被認(rèn)為是同義詞。

早期的MPU僅包含CPU。諸如浮點(diǎn)運(yùn)算單元（FPU，也稱為數(shù)學(xué)協(xié)處理器）和內(nèi)存保護(hù)單元（MPU）或內(nèi)存管理單元（MMU）之類的功能是在單獨(dú)的器件上實(shí)現(xiàn)的，所有這些器件都緊密地安裝在印刷電路板上。

當(dāng)然，使用MPU這三個(gè)字母代表同時(shí)微處理器單元和記憶保護(hù)單元只會(huì)增加樂趣和誤會(huì)，但你通?？梢詮恼勗挼纳舷挛闹锌闯鋈藗冊谡f什么（如果沒有，那就讓他們先把事情說清楚，然后再掏錢）。

這些天，有成千上萬的MPU產(chǎn)品。一些只包含一個(gè)單獨(dú)的CPU，一些包含一個(gè)CPU以及緩存、FPU和內(nèi)存保護(hù)或內(nèi)存管理單元的各種組合，還有一些包含多個(gè)CPU、FPU等。（請注意，MPU可能包含額外功能——出于討論的目的，我們將重點(diǎn)放在核心功能上。）

微處理器單元（MPU）有多種形狀、大小和配置

（圖片來源：Max Maxfield）

與內(nèi)存管理單元（MMU）相反，一些微處理器單元（MPU）可能包含內(nèi)存保護(hù)單元（MPU），但是為了避免混淆，我們在這里寫出了全名。此外，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，更常見的是在微處理器中找到內(nèi)存管理單元，在微控制器中找到內(nèi)存保護(hù)單元，如下所述。

微處理器的一個(gè)顯著特點(diǎn)是它不包含任何內(nèi)存（不包括任何緩存）。也就是說，它的所有內(nèi)存都是器件外部提供的。相比之下，微控制器（μC，也稱為微控制器單元，MCU）包含的存儲(chǔ)器包括Flash形式的非易失性程序存儲(chǔ)器（NVM）和SRAM形式的易失性工作存儲(chǔ)器。MCU通常包含各種附加功能和能力，包括計(jì)數(shù)器和定時(shí)器，以及帶有模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的模擬輸入。

微控制器單元（MCU）有多種形狀、大小和配置

（圖片來源：Max Maxfield）

MCU通常不包含任何高速緩存存儲(chǔ)器的一個(gè)原因是它們經(jīng)常必須提供實(shí)時(shí)控制功能和性能。這可能涉及運(yùn)行“裸機(jī)”程序——或者在內(nèi)核或?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）下運(yùn)行程序——而擁有緩存內(nèi)存子系統(tǒng)往往會(huì)扼殺確定性。

此外，微處理器通常不運(yùn)行像Linux或Unix這樣的復(fù)雜操作系統(tǒng)，因此不需要內(nèi)存管理單元（MMU）。如果它們有內(nèi)存保護(hù)的話，也通常不會(huì)比內(nèi)存保護(hù)單元（MPU）更復(fù)雜。同樣，MCU可能包含額外的功能——出于討論的目的，我們將重點(diǎn)放在核心功能上。

圖形處理單元（GPUs）

最后，但同樣重要的是，在本專欄中，我們會(huì)討論圖形處理單元（GPU）。雖然微處理器單元（MPU）僅包含幾個(gè)（例如，1個(gè)、2個(gè)、4個(gè)或8個(gè)）復(fù)雜的CPU內(nèi)核，但GPU可以包含數(shù)百或數(shù)千個(gè)較簡單的CPU核心，每個(gè)CPU核心具有少量的本地存儲(chǔ)器，以及FPU等。

顧名思義，GPU最初是為圖形應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的，在圖形應(yīng)用中，需要在屏幕上對數(shù)十萬或數(shù)百萬像素執(zhí)行相同的操作。但是，GPU還可以在受益于大規(guī)模并行處理的應(yīng)用程序中使用，包括硬件加速，網(wǎng)絡(luò)貨幣（“比特幣”）挖掘和高性能計(jì)算（HPC）。

MPU（微處理器）和GPU組合可以在手機(jī)、筆記本電腦、平板電腦、工作站和游戲機(jī)等系統(tǒng)中找到。同時(shí)，在嵌入式系統(tǒng)中可能會(huì)發(fā)現(xiàn)MCU（微控制器）和GPU組合。

模擬、數(shù)字、混合信號(hào)和RF ASICs

以術(shù)語ASIC為例。當(dāng)你聽到或看到這個(gè)詞時(shí)，你會(huì)想到什么？如果你的下意識(shí)反應(yīng)是說ASIC指的是一種定制的數(shù)字集成電路，包含數(shù)十萬、數(shù)百萬甚至數(shù)十億個(gè)晶體管，那么這可能意味著你來自數(shù)字背景。

讓我們從ASIC代表特定應(yīng)用集成電路的事實(shí)開始，即為執(zhí)行特定任務(wù)而創(chuàng)建的自定義器件。在這個(gè)標(biāo)題中，我們看不到“數(shù)字”這個(gè)詞。同樣值得提醒自己的是，沒有所謂的模擬晶體管或數(shù)字晶體管——只有晶體管可以認(rèn)為是在模擬域（信號(hào)在一個(gè)連續(xù)的范圍內(nèi)工作）或數(shù)字域（信號(hào)在一定數(shù)量的定義電平下工作）中發(fā)揮它們的魔力。

在現(xiàn)實(shí)中，我們可以創(chuàng)建包含晶體管和其他組件的模擬ASIC，以實(shí)現(xiàn)類似放大器或?yàn)V波器的模擬功能。這種器件通常只包含相對較少的晶體管（數(shù)量在幾十、幾百或幾千個(gè)），而且這些晶體管通常體積大而堅(jiān)固，它們的形狀和大小都經(jīng)過了微調(diào)，以滿足嚴(yán)格的規(guī)格要求。（我們所說的“大”指的是“在事物的體系中”，與用來制造數(shù)字集成電路的晶體管相比——它們在人類存在的尺度上仍然小得令人難以置信。）

我們也有可能創(chuàng)造出包含晶體管和其他元件的數(shù)字專用集成電路，以實(shí)現(xiàn)一系列的數(shù)字功能。這類器件通常包含相對大量的晶體管（以數(shù)十萬、數(shù)百萬或數(shù)十億計(jì)），而這些晶體管通常體積小、活躍、非常集中。

如果我們能把世界分成模擬和數(shù)字兩部分，生活就會(huì)變得如此簡單，但是，情況無疑會(huì)更復(fù)雜，因?yàn)樵S多ASIC包含模擬和數(shù)字功能的混合，因此被稱為混合信號(hào)器件。這類元件的典型例子是模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。在現(xiàn)實(shí)中，即使是你可能認(rèn)為是“純數(shù)字”的器件，也可能仍然包含一些以鎖相環(huán)（PLL）等功能形式存在的少量模擬功能。

而且，僅僅為了增加樂趣，還可以有射頻（RF）ASIC，有些人將其稱為射頻集成電路（RFIC）。

ASICs與ASSPs

一般而言，專用集成電路（ASIC）是由單個(gè)公司在特定系統(tǒng)中設(shè)計(jì)和/或使用的組件。相比之下，專用標(biāo)準(zhǔn)部件（ASSP）是一種更通用的器件，旨在供多個(gè)系統(tǒng)中的多個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)使用（例如USB接口芯片）。這就引出了一個(gè)有趣的問題——我們是將ASIC和ASSP視為在模擬、數(shù)字、混合信號(hào)和RF之下（圖1a），還是將其看作相反的情況（圖1b）？

圖1 ASIC和ASSP器件與模擬、數(shù)字、混合信號(hào)和RF領(lǐng)域的關(guān)系是什么樣的？

（圖片來源：Max Maxfield）

在現(xiàn)實(shí)中（我不得不停止這樣說），這些術(shù)語都只是我們?yōu)樽约簞?chuàng)造的“盒子”，但反思一下不同的人以不同的方式思考這些事情仍然很有趣。（如果你愿意在下面的評論中分享你更喜歡哪種表達(dá)方式，那就太好了。）

每個(gè)實(shí)現(xiàn)域（模擬、數(shù)字等）通?；谧约旱膶Ｓ冒雽?dǎo)體襯底和工藝，并且每個(gè)開發(fā)團(tuán)隊(duì)通常使用他們自己的專用設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和分析工具。

為了進(jìn)行這些討論，我們假設(shè)我們談?wù)摰氖菙?shù)字ASIC和ASSP。此處要理解的關(guān)鍵點(diǎn)是，這些器件是使用相同的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和分析工具開發(fā)的，而且是使用相同的半導(dǎo)體工藝和技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。

ASIC與ASSP的惟一區(qū)別在于它的目標(biāo)受眾和部署——特定系統(tǒng)（或系統(tǒng)系列）中的單個(gè)公司vs各類系統(tǒng)中的多個(gè)公司。我們甚至可以說，一個(gè)在早上被認(rèn)為是ASIC的器件，如果它的主人決定與世界分享，那么它就可以在下午被改造成ASSP。

我們要說最后一點(diǎn)是，數(shù)字ASIC（或ASSP）有不同類型。就日益增加的復(fù)雜性而言，它們將被分為門陣列、結(jié)構(gòu)化ASIC、標(biāo)準(zhǔn)單元和全定制。

圖2.不同風(fēng)格的數(shù)字ASIC/ASSP

（圖片來源：Max Maxfield）

你會(huì)高興地發(fā)現(xiàn)，我們不會(huì)在這個(gè)泥潭里挖得更深。我只想說，如果你想了解更多關(guān)于這些家伙的信息，我的書《Bebop to the Boolean Boogie》（世界上第一本也是唯一一本以海鮮秋葵湯食譜為特色的電子學(xué)書籍）對它們進(jìn)行了極其詳細(xì)的討論。

MPUs、MCUs、DSPs、FPGA和內(nèi)存器件

莎士比亞表現(xiàn)出了他一貫的先見之明，當(dāng)他讓李爾王說：“哦，那是瘋狂的謊言?！蔽液芸隙ㄋ谙?，如果人們開始嘗試把微處理器（MPU）、微控制器（MCU）、數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）和內(nèi)存器件（DRAM、SRAM、Flash等）分成ASIC和ASSP會(huì)如何。

不幸的是，如果你不小心，你會(huì)發(fā)現(xiàn)自己拼命地想要把一顆方釘子釘進(jìn)一個(gè)圓孔里。就我個(gè)人而言，我花在這款游戲上的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了應(yīng)該花的時(shí)間。多年來，我已經(jīng)得出結(jié)論，說“MPU就是MPU”、“SRAM內(nèi)存芯片只是SRAM內(nèi)存芯片芯片”更容易，就這樣吧。

片上系統(tǒng)（SoC）器件

片上系統(tǒng)（SoC）是指充當(dāng)整個(gè)子系統(tǒng)的ASIC或ASSP。除了一堆定制功能塊（其中大多數(shù)通常是數(shù)字的，但也可以包括一些模擬和/或混合信號(hào)功能），SoC還包括一個(gè)或多個(gè)處理器內(nèi)核（處理器和/或DSP）、輔助內(nèi)核（例如FPU、計(jì)數(shù)器/定時(shí)器）、片上存儲(chǔ)器和外圍/通信內(nèi)核/功能。

有些人認(rèn)為SoC比ASIC/ASSP“更高”，因?yàn)樗鼈兪腔贏SIC/ASSP技術(shù)加上處理器核心等。相比之下，在并非所有ASIC/ASSP都包含處理器內(nèi)核的基礎(chǔ)上，其他人則認(rèn)為ASIC/ASSP技術(shù)是父項(xiàng)，而SoC構(gòu)成了這些器件的子集。

再說一次，這些術(shù)語都是我們?yōu)樽约簞?chuàng)造的“盒子”，但反映出不同的人以不同的方式思考這些事情仍然很有趣。

2.5D和3D ICs

最初，在集成電路的背景下，人們對于2.5D和3D有很多混淆。很多這種困惑是由公司造成的，他們有我們現(xiàn)在認(rèn)為是2.5D IC的東西，而在他們的營銷文案中則聲稱是3D IC（小小的騙局）。

每個(gè)未封裝的集成電路稱為裸片。在2.5D IC的情況下，多個(gè)裸片安裝在稱為硅插入器的基礎(chǔ)層上。硅插入器及其所附的裸片全部呈現(xiàn)在單個(gè)封裝中。硅插入器用于將芯片相互連接，也可連接到封裝的端子（引腳或焊盤）。

在3D IC的情況下，多個(gè)裸片彼此堆疊，并使用硅通孔（TSV）進(jìn)行連接。單個(gè)多裸片堆疊可以以其自己的封裝呈現(xiàn)，或者多個(gè)多裸片堆疊可以安裝在硅插入器上，而整個(gè)組件以單個(gè)封裝呈現(xiàn)。

SiPs、PiPs、PoPs和MCMs

多芯片組件（MCM）在概念上類似于2.5D IC，安裝裸片和其他組件的統(tǒng)一高密度互連（HDI）基板不同于硅插入器，范圍從陶瓷到印刷電路板（PCB）。

順便說一句，組成MCM的單個(gè)裸片被稱為“chiplet”。一切都放在一個(gè)單獨(dú)的封裝中，這意味著MCM在外界看來就像一個(gè)大型IC。

根據(jù)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和目標(biāo)應(yīng)用程序和/或環(huán)境的不同，MCM有多種風(fēng)格。它們通常分為MCM-L（基板是多層層壓PCB）、MCM-D（組件使用薄膜技術(shù)沉積在基板上）和MCM-C（基板是陶瓷）。

術(shù)語System-in-Package（Sip）對不同的人意味著不同的事情。有些人認(rèn)為SiP只是MCM的一個(gè)更現(xiàn)代和新潮的名字。其他人則認(rèn)為SiP介于MCM（因?yàn)镾iP的裸片可能堆疊在彼此的頂部）和3D IC之間（因?yàn)镾iP不使用最高級(jí)別的TSV互連，而這正是3D IC的特點(diǎn)）。

到頭來，SiP需要將多個(gè)裸片和其他組件安裝在同一塊基板（通常是HDI PCB）上，并作為單個(gè)封裝呈現(xiàn)給外界。

最后，但同樣重要的是，對于我們討論的這一部分，我們有Package-in-Package（PiP）和Package-on-Package（PoP）。多個(gè)裸片（每個(gè)裸片在它們自己的芯片級(jí)封裝（CSp））和/或SiP被安裝、連接，并作為單個(gè)封裝呈現(xiàn)給外界。相比之下，在PoP組件的情況下，兩個(gè)或更多的封裝安裝在彼此的頂部，它們之間有一個(gè)接口來路由信號(hào)。所有這些技術(shù)都允許在移動(dòng)電話、個(gè)人數(shù)字助理（PDA）、平板電腦、數(shù)碼相機(jī)等產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)更高的組件密度。

COMs和SOMs

遺憾的是，術(shù)語嵌入式模塊計(jì)算機(jī)（COM）和系統(tǒng)模塊（SOM）同樣有多種解釋。

一種非常常見的解釋是將系統(tǒng)的所有功能集成在單個(gè)模塊上的PCB級(jí)電路（與SoC相反，SoC必須安裝在電路板上，并且通常依賴于諸如存儲(chǔ)器器件的外部組件來完成系統(tǒng)）。

為了更好地理解COMs/SOMs的這種解釋，請參考來自Toradex的Apalis Arm家族COM和Colibri Arm家族SOM。此外，請參考我的專欄《COM-HPC為邊緣計(jì)算定義服務(wù)器級(jí)功能》。

另一種解釋是SOM不大于大型IC。這種解釋的一個(gè)經(jīng)典例子是Microchip Technology的SAMA5D27 SOM。

讓我們從SAMA5D27 SiP開始，它采用32位ARM Cortex-A5微控制器，128Mb、512Mb或1Gb DDR2內(nèi)存。該SiP可以用作獨(dú)立器件，也可以集成到更大的組件中，如SAMA5D27 SOM。

除了SAMA5D27 SiP之外，SAMA5D27 SOM還包含64Mb QSPI閃存器件、2Kb EEPROM芯片（帶有預(yù)編程MAC地址），帶時(shí)鐘的10/100以太網(wǎng)PHY、一個(gè)高性能電源管理IC（MIC2800）和103個(gè)輸入/輸出（I/O）。使用SAMA5D27 SOM的結(jié)果是縮小印刷電路板的尺寸和層數(shù)，將設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)降至最低，并大大縮短產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間。

結(jié)論

唉！我不知道你怎么想，但我的腦子里真的是一片混亂。在上世紀(jì)70年代末，事情往往簡單得多，那時(shí)我們只需要擔(dān)心與TI公司的7400系列器件相關(guān)聯(lián)的雙列直插式（DIL）封裝。

當(dāng)然，如果我們試圖用過去的技術(shù)實(shí)現(xiàn)像智能手機(jī)一樣的東西，它將會(huì)有牽引式卡車那么大。當(dāng)今的ASIC/ASSP/SoC技術(shù)與SiP、PiP、PoP、MCM、CoM和SoM封裝/部署技術(shù)相結(jié)合，使我們所熟悉和喜愛的高密度、高性能系統(tǒng)成為可能。

你呢？對于我們在這里討論的主題，你有什么意見、問題或建議嗎？