《芯時代:無所不在的芯片》是筑夢芯時代科普叢書的第一冊。該叢書是專為科普愛好者及青少年打造的芯片領(lǐng)域科普系列讀物,通過通俗易懂的文字,圖文并茂地從豐富的應(yīng)用場景入手,介紹了芯片在工作、生活以及科學(xué)研究等各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用!缎緯r代:無所不在的芯片》描述了芯片的十大常見應(yīng)用場景,分別是手機、計算機、汽車、燈光照明、移動通信、醫(yī)療、安防、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計算,勾勒出芯片技術(shù)應(yīng)用的全景圖,讓讀者意識到芯片在人們現(xiàn)在的生活和未來的發(fā)展中都扮演著不可或缺的角色,由此引發(fā)對芯片技術(shù)發(fā)展、中國制造發(fā)展之路的深入思考。
科技創(chuàng)新、科學(xué)普及是實現(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)代大國競爭的制高點,國家將芯片技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展列入國家戰(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代:無所不在的芯片》圍繞芯片的十大主要應(yīng)用場景,向我們展現(xiàn)了芯片無所不在的身影,以及中國科學(xué)家在科技創(chuàng)新之路上篳路藍縷的足跡。不僅普及了芯片知識,更傳播了科學(xué)思想與科學(xué)方法,弘揚科學(xué)精神與科學(xué)家精神,并從國家戰(zhàn)略角度展現(xiàn)芯片作為卡脖子技術(shù)在國家經(jīng)濟社會發(fā)展和國家安全中的重要地位。
《芯時代:無所不在的芯片》由重慶郵電大學(xué)兼具教學(xué)科研與科普傳播經(jīng)驗的資深教師團隊傾力編撰,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,更善于運用豐富的說明方法,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、生活案例等,真正達到了科普的意義。同時,文字理性中蘊含著無限力量,使讀者能由衷為中國芯片制造感到自豪,甚至激發(fā)出強芯的動力。
你是否曾聽過科技巨頭華為的芯片危機?
2019年5月,華為被美國商務(wù)部列入實體清單,遭到嚴(yán)苛的制裁。由于沒有自己的芯片制造廠,華為更多依賴于外部供應(yīng)商,如臺積電、三星等。這些供應(yīng)商使用的設(shè)備和材料大多來自美國或受美國控制。這使得華為受制于人,無法獲取關(guān)鍵的零部件與專利技術(shù),智能手機生產(chǎn)也因此陷入前所未有的困境……這場芯片危機持續(xù)多年,直到2023年8月29日,華為帶著麒麟9000s芯片涅槃歸來,當(dāng)時訪華的雷蒙多尚沒有返回美國,還在做著阻滯中國創(chuàng)新速度的美夢。中國科技的創(chuàng)新能力正逐漸顛覆美國乃至世界一直以來對中國高端半導(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藏?zé)o限能量的寶盒?答案是芯片。
手機上有負責(zé)不同功能的芯片,主要包括處理器芯片、存儲芯片、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)于手機的大腦,是用來思考、分析和計算的,包括中央處理器(CPU)和圖形處理器(GPU)。CPU 是手機的核心控制部件,主要負責(zé)處理各種計算任務(wù),如運行應(yīng)用程序、處理系統(tǒng)指令等,它決定了手機的整體響應(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,使得手機界面流暢,游戲畫面逼真。
①核心大腦 SoC:我思故我在
在傳統(tǒng)的個人計算機時代,計算機機箱空間充足,各模塊(如CPU、顯卡、網(wǎng)卡等)可以獨立安裝。而到了智能手機時代,各項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)級芯片(SoC),就是將整個信息處理系統(tǒng)集成在一塊芯片上。
SoC 是手機芯片中最重要的概念之一。一般來說,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,因此又被稱為手機的核心處理器。這種高度集成化設(shè)計使得智能手機不僅體積更小、功耗更低,而且性能更強、功能更豐富。我們經(jīng)常聽到的高通驍龍、華為麒麟都屬于SoC。
②手機存儲:我的地盤我做主
說到手機的存儲類型,大家經(jīng)常會把易失性存儲器和非易失性存儲器弄混。易失性存儲器包括隨機存取存儲器(RAM),而非易失性存儲器包括只讀存儲器(ROM)。另外,外部儲器則是我們熟知的硬盤。
舉個例子,我們購買手機時,通常會在其配置參數(shù)中看到例如這樣的描述 :8GB 128GB。8GB 一般是指手機運存,即運行內(nèi)存,它是手機的 RAM,用于臨時存儲數(shù)據(jù)并為程序運行提供空間。當(dāng)我們打開應(yīng)用、瀏覽網(wǎng)頁或進行其他操作時,相關(guān)數(shù)據(jù)會被加載到運存中,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,是手機的內(nèi)置長期儲存空間,用來存儲手機程序、用戶數(shù)據(jù)等。手機下載的應(yīng)用、文件、歌曲、照片以及系統(tǒng)文件都儲存在手機存儲內(nèi)存里。
很多人常常誤以為只要運行內(nèi)存和存儲空間越大,手機就越流暢,手機賣場里也常常充斥著類似的說法。實際上,影響手機流暢程度的因素主要是軟件優(yōu)化和硬件配置。就硬件配置來說,也不僅僅是運行內(nèi)存和存儲空間越大,手機就越流暢。手機流暢是從處理器到運行內(nèi)存再到調(diào)度存儲內(nèi)存的一個綜合配合完美的結(jié)果,中間任何環(huán)節(jié)的缺陷都會造成卡頓。
以倉儲運輸打比方
這里我們以倉儲運輸來打個比方:存儲內(nèi)存ROM相當(dāng)于倉庫,決定了貨物(也就是應(yīng)用和數(shù)據(jù))的存儲總量;運行內(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,決定了搬運貨物的效率。即便存儲內(nèi)存(倉庫)和運行內(nèi)存(手推車)再大,如果CPU(工人能力)有限,搬運貨物的速度也不會太快。
李章勇:二級教授,博士生導(dǎo)師,重慶郵電大學(xué)黨委常委、副校長,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)雜腦動力與圖像智能、集成電路設(shè)計、晶圓多光譜缺陷檢測等領(lǐng)域的科學(xué)和產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研究。
吳 靜:高級經(jīng)濟師,碩士生導(dǎo)師。全國科普工作先進工作者,重慶市省部級科普基地負責(zé)人,重慶市科技青年聯(lián)合會科學(xué)教育專委會副主任委員,重慶市科普研究會常務(wù)理事。重慶市青少年創(chuàng)新人才培養(yǎng)計劃優(yōu)秀項目負責(zé)人,主理多門芯片科普課程深受好評。
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,重慶市集成電路協(xié)同創(chuàng)新中心主任。設(shè)計多款 DAB/DMB 基帶芯片,關(guān)鍵指標(biāo)優(yōu)于 TI、Frontier 等國外芯片,基于該芯片開發(fā)的終端已量產(chǎn)并出口歐洲。
第一章 手機: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
手機存儲:我的地盤我做主
通信芯片:萬水千山變通途
……
2.手機的成長經(jīng)歷了什么?
手機的前身
手機按兵不動,芯片悄悄成長
……
第二章 計算機:信息時代的核心工具
1.最強大腦的核芯
中央處理器:大腦之王
圖形處理器:圖形大師 速度達人
……
2.從巨型機到智能小精靈的演變
巨型機 ENIAC 的誕生
……
第三章 汽車:駕馭未來的動力
1.車輪上的芯科技
功能芯片:汽車的大腦和神經(jīng)中樞
……
2.從機械到智能的變遷
初級芯片推動機械汽車電子化
……
第四章 LED:點亮世界的璀璨之光
1.點亮世界的芯光源
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.從有線到無線的飛躍
電報與電話的發(fā)明
……
第六章 醫(yī)療:用芯守護身體健康
1.新時代的智能醫(yī)生
診斷芯片:醫(yī)生的助手
……
2.醫(yī)療技術(shù)的芯片化進程
醫(yī)療設(shè)備的數(shù)字化浪潮
……
第七章 安防:安全進入芯時代
1.安全的芯保障
視頻監(jiān)控芯片:眼觀六路
……
2.智能安防的升級之路
從機械鎖到電子鎖
……
第八章 人工智能:像人類一樣思考
1.賦予機器思維的芯動力
機器學(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):萬物皆可聯(lián)的芯世界
1.萬物可聯(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 云計算:讓計算資源無邊界
1.云計算:數(shù)字世界的基礎(chǔ)底座
數(shù)據(jù)中心處理器:云計算的中樞
2.從本地到云端的遷移