科技原理 晶體管是如何工作的？它的工作原理是什麼？

你的電腦內部有數十個微芯片 上面有數百一個晶體管 你可能知道這些晶體管是所有技術的基石 在數十億美元的工廠裏製造 而且尺寸只有幾納米 但你可能不知道的是 這個由數十億個晶體管組成的網絡 其組織方式很像樂高積木 通過相互連接來搭建一個樂高套裝 比如這個由7541塊積木組成的千年筍 在本視頻中 我們將探討你電腦裏的晶體管 如何像樂高積木一樣 晶體管的真實樣貌 它們如何執行基本邏輯 以及最終 260億個晶體管 是如何被組織成CPU的不同部分 那麼讓我們開始吧 讓我們從探索樂高積木和晶體管開始 在這個類比中 我們將一個晶體管 等同於一個樂高積木上的凸點 單獨來看 它們都做不了什麼 然而當幾個晶體管連接在一起時 它們就形成一個標準單元 這是每個CPU和GPU的基本構建模塊 類似的多個凸點構成一個樂高積木塊 這是所有樂高作品的構建模塊 例如兩個晶體管連接在一起 形成一個返鄉器標準單元 四個晶體管連接在一起 形成一個宇飛門 而六個晶體管則形成一個霍門 還有許多其他通過連接晶體管構建的標準單元 同樣也有各種各樣具有不同數量 凸點和形狀的樂高積木 但在我們探索一些更復雜的標準單元之前 我們首先需要了解最簡單的標準單元之一 是如何工作的 讓我們來看看返鄉器 它類似於一個1乘以2的樂高積木 它的功能很簡單 就是接收一個1的輸入 然後輸出一個0 反之亦然 這個返鄉器有一個這樣的邏輯符號 而標準單元看起來是這樣的 從本質上講 像這個返鄉器這樣的標準單元 是邏輯門的真實物理結構 如果你能打開並放大到 你智能手機處理器的納米級視圖 你就會看到這個 那麼讓我們看看它是如何工作的 在標準單元的底部 是在硅基底上構建的兩個晶體管 我們將重點關注其中一個晶體管 爲了便於解釋 它被稍微簡化了一些 這個晶體管內部有幾個關鍵部分 山脊、溝道和電介質 電介質是分隔着兩者 並防止電流通過的屏障 此外在溝道的兩側和山脊的上方 是通過垂直通孔連接的金屬觸點 用於向相應部分輸入和輸出電流 那麼這個晶體管是如何工作的呢 當億伏特的電壓施加或輸入到山脊時 電流就能流過溝道 從而將溝道的一側與另一側連接起來 然而當0伏電壓施加到山脊時 電流無法通過 導致溝道兩側被電隔離或絕緣 一個簡單的類比是 把溝道和山脊想象成水龍頭和把手 當把手打開時水可以流動 當把手關閉時水就停止了 這種晶體管的名稱是N型FinFET 因其其狀外形而得名 這是一個簡單的N型晶體管的符號 再說一次 當億伏特電壓施加到山脊時 電流可以流過溝道 讓我們在這裏引入第二個晶體管 它具有相同的FinFET形狀 但功能略有不同 被稱爲P型晶體管 具體來說 它的設計工作方式正好相反 當億伏特電壓施加到山脊時 電流無法流過溝道 而當0伏特電壓施加到山脊時 電流可以流過 使用我們之前的水龍頭類比 這種晶體管就像一個有故障的水龍頭 當把手向下時 水是開着的 而要關掉水 你必須主動抬起把手 這是P型晶體管的符號 山脊上的圓圈表示其功能是反向的 現在我們有了兩個晶體管 一個是N型 另一個是P型 讓我們將它們之間的山脊連接起來 並將輸入山脊觸點 合併成一個單一的觸點 結果施加在山脊上的單一輸入電壓 可以是億伏特或0伏特 會傳到共享山脊 並控制兩個晶體管 因爲N型和P型晶體管是相互對立的 當0伏特電壓施加到山脊時 P型將允許電流流過溝道 並被認爲是開啓狀態 而N型將是關閉狀態 然後當億伏特電壓施加到山脊時 N型和P型FinFET會翻轉爲開啓和關閉狀態 N型允許電流通過 而P型則不允許 下一步是在晶體管上方引入電源軌和接地軌 電源軌爲億伏特 接地軌爲0伏特 它們始終保持在億伏和0伏 接下來我們在設計中添加一些導線 爲此我們使用接觸點並構建垂直通孔 將晶體管的兩側以及電源軌 連接到一層稱爲局部互連線的導線上 電源軌通孔和互連線 只是由銅、鎢或鋁等導電金屬製成的導線 它們只是在錯綜複雜的線路中傳輸電流 讓我們爲輸入添加一個標籤 這是連接到共享山脊的電線 還有一個標籤在這裏用於輸出 它連接到附着在兩個晶體管 各自一側的局部互連線上 現在我們有了一個完整的標準單元 當億伏特電壓施加到輸入端時會發生什麼 億伏特電壓會傳到控制兩個晶體管的共享山脊 結果N型晶體管導通而P型晶體管關閉 當N型晶體管導通時電流可以流過其溝道 這導致來自接地軌的0伏特電壓通過局部互連線 向下穿過一個垂直通孔通過N型FinFET的溝道 然後從另一側的垂直通孔返回 穿過另一段局部互連線最終到達輸出端 因此億伏特的輸入導致了0伏特的輸出 與此同時因爲相同的億伏特輸入控制着P型晶體管 而它處於關閉狀態 所以沒有電流流過它 這部分導線是隔離的 那麼當0伏特電壓施加到輸入端時會發生什麼呢 會發生相反的情況 P型晶體管導通 億伏特電源軌通過局部互連線和通孔連接 穿過P型溝道 再通過一個垂直通孔返回 到達輸出端 從而將0變爲1 與此同時N型晶體管是關閉的 這部分導線是隔離的 需要注意的一點是 雖然這些導線看起來像是懸浮的三維結構 但實際上所有的空白空間都充滿了稱爲電介質的絕緣材料 這可能是一個相當長的解釋 但真正理解返鄉器標準單元的基本功能 對於理解更復雜的單元至關重要 比如這個宇飛門 這個宇門 或者這個億禍門 我們稍後會討論 這是返鄉器的符號及其邏輯表 再說一次 輸入爲億則輸出爲零 反之亦然 接下來這是原理圖 你可以看到上面的億伏特電源軌和下面的零伏特接地軌 這裏是兩個簡化的晶體管 底部的是N型 頂部的是P型 門的輸入是連接在一起的 然而 我們通常會將它們分開並用相同的輸入名稱標記 接下來 輸出位於兩個晶體管的中間 因此 當億伏特電壓施加到輸入A時 輸出連接到接地軌 而當輸入爲零時 輸出連接到電源軌 現在我們已經徹底探討了返鄉器 讓我們深入瞭解一些更復雜的標準單元 比如這些有四個晶體管的宇飛門和禍飛門 有六個晶體管的宇門和禍門 以及內部有十個晶體管的異或門和異或飛門 不過 首先 讓我們繼續討論標準單元如何像勒高積木一樣 如前所述 通過使用局部互連線連接不同數量的晶體管 可以構建出各種各樣的標準單元 同樣 通過以不同配置連接不同數量的凸點 可以構建出各種各樣的勒高積木 所以爲了繼續我們的類比 如果一個勒高凸點是一個單獨的晶體管 而勒高積木和零件是標準單元 那麼相當於勒高套裝的就是紅單元 例如這裏有350塊勒高積木用於搭建一個星際戰鬥機勒高套裝 同樣 這裏大約有160個標準單元連接起來 形成一個可以進行兩個數相加的紅單元 爲了將這160個標準單元連接在一起 需要使用更高一層的垂直通孔和導線 稱爲金屬一層或M一層 當我們放大時 可以發現單個的標準單元都安裝在多排1伏特電源軌和0伏特接地軌之間 你可能已經猜到了 這個電路使用二進制的一和零 要相加的輸入數字通過這兩組32根導線以一伏或零伏的形式發送到這個紅單元 然後二進制輸出通過這邊的33根導線傳輸 讓我們進一步延續這個類比 就像有成千上萬種不同的勒高套裝一樣 也有各種各樣不同的紅單元 例如這裏有成千上萬種不同的勒高套裝 同樣也有各種各樣不同的紅單元 有些內部有成千上萬的標準單元 這裏有一堆勒高套裝同樣也有各種各樣不同的紅單元 有些內部有成千上萬的標準單元 例如一個更復雜的功能是乘法 它接收兩個數將它們相乘然後輸出結果 然而要執行乘法我們需要一個大的多的紅單元 比如這個它由6100個標準單元構建而成 這個32位乘法紅單元的複雜性 與這個用大約7500塊勒高積木搭建的千年損勒高套裝的複雜性相當 需要注意的是紅單元也被稱爲模塊功能塊功能單元或者就叫快活單元 那麼現在我們已經看到了幾個紅單元 下一步是什麼呢 嗯 多個紅單元組合成一個ip盒 然後多個ip盒組合成一個核心或硬件加速器 這些元素再組合成一個完整的芯片 比如這個處理器它可以在安裝在主板上的cpu封裝裏找到 處理器極其複雜 內部有數百億個晶體管 所以這裏我們再次用勒高來簡單瞭解一下它們是如何工作的 勒高積木是相當簡單的物體 例如這堆勒高積木踩上去可能會疼 但總的來說它並不那麼有趣或令人印象深刻 然而當你meticulously的將成千上萬塊勒高積木組裝在一起時 你可以創造出一個令人印象深刻的勒高作品 同樣的 一個單獨的晶體管可能看起來很普通 一個只能將一翻轉爲零的標準單元或基本邏輯門本身並沒有太大用處 然而關鍵在於當你讓成千上萬的科學家和工程師將數十億個標準單元和邏輯門組裝在一起 這可以被看作是一個數十億塊的勒高套裝時 那麼我們就能得到一個能夠瀏覽互聯網播放YouTube視頻或運行具有驚人畫質的視頻遊戲的集成電路 順便說一下 到目前爲止 我們向您展示了標準單元的局部互聯層和一個稱爲M1的金屬層 它用於構建小型紅單元 事實上 CPU使用大約17個金屬層的導線連接在一起 形成紅單元 IP核核心以及CPU的其他部分 CPU是極其強大的設備 但當你把它分解來看 它只是一堆用數公里長的導線連接起來的晶體管和邏輯門 那麼讓我們回到探索一些更復雜的標準單元 具體來說 我們將從這個宇飛門開始 然後是宇門 接着討論其他類型的邏輯門 這個宇飛門執行的是宇邏輯 然後是一個非邏輯 用樂高類比 宇飛門就相當於一個二乘以二的樂高積木 我們的速度會比解釋反向器時快一點 從邏輯符號 真值表和原理圖開始 要構建一個宇飛門 我們在上方使用兩個並聯的P型晶體管 在下方使用兩個串聯的N型晶體管 與飛門的兩個輸入端分別連接到每個晶體管的一個山脊 輸出則位於溝道的中間 爲了使輸出爲零 兩個輸入都需要是一 從而使兩個N型都導通 並創建一條從接地軌道輸出的路徑 爲了使輸出爲一 我們需要兩個P型晶體管中有一個或兩個都導通 從而創建一條從易福特電源軌道輸出的路徑 因此 輸入爲0-0 0-1或1-0都會產生一個1的輸出 讓我們看看如何將這個邏輯 轉化爲物理標準單元 以下是兩個P型晶體管在上方 兩個N型晶體管在下方 以及電源和接地軌 爲了控制這些晶體管 兩個輸入端標記爲輸入A和輸入B 連接到跨越一組N型和P型晶體管的每個山脊的中心 爲了並聯構建P型晶體管 我們將電源軌連接到每個晶體管的側面 輸出連接在中間 你可以看到 當其中一個或兩個P型晶體管處於導通狀態 當將0施加到其中一個輸入時發生 然後易孚導軌通過P型晶體管連接到輸出 因此輸入00 01或10都會產生輸出1 同樣 這些晶體管是並聯的 因爲其中一個或兩個都需要打開 易孚的電壓才能傳輸到輸出端 接下來我們來看看串聯的N型晶體管 爲了構建這個 地線連接到兩個晶體管的一側 輸出連接到另一側 因此 對於地軌的0伏電壓通過這些晶體管時 兩個N型晶體管都需要處於導通狀態 當兩個N型連接到易孚電壓時發生 因此輸入11將產生0的輸出 同樣 這些晶體管是串聯的 因爲兩者都需要打開才能讓電流流過 需要注意的是 到目前爲止 我們一直在展示電源軌在上方和地軌在下方 然而 在我們之前展示的附加宏單元中 電源和接地軌是交替的 因此一半的標準單元有電源軌在下方和地軌在上方 爲了適應這種情況 標準單元被翻轉 P型晶體管在底部 N型在頂部 但它仍然以相同的方式工作 如果我們旋轉鏡頭 它看起來和之前一樣 接下來讓我們看看這個語門 這是原理圖以及邏輯表 本質上語門是一個語飛門和一個返鄉器的組合 讓我們來看看這個標準單元 在這裏你可以看到帶有兩個輸入的語飛門 語飛門的輸出被傳送到返鄉器的輸入端 而最終的輸出就在這裏 因此 當我們輸入兩個e時 輸出也是1 然而 如果任意輸入或兩個輸入都是0 那麼輸出就是0 獲飛門和獲門邏輯門使用於語飛門和語門單元非常相似的設置 獲飛門只是一個語飛門 但有兩個串聯的P型晶體管和並聯的N型晶體管 然後獲門是一個獲飛門加上一個返鄉器 可以暫停視頻來推導一下邏輯 異獲門和異獲飛門要更復雜一些 每個總共需要10個晶體管 因爲邏輯需要考慮只有一個輸入唯一的情況 這是異獲門的標準單元 我們將花幾秒鐘時間環繞它 展示不同的層次 看看你是否能畫出原理圖並推導出它的工作原理 接下來這是相應的原理圖 然後這是輸入爲1和0時的樣子 然後這是輸入爲0和0時的樣子 接着是輸入爲1和1 當我們看異獲飛門時 我們發現它相當相似 只是串聯和並聯的N型和P型晶體管的位置翻轉了 那麼一個問題是我們如何製作一個有三個輸入的語門 一個有四個輸入的異獲門又該如何製作呢 讓我們通過討論幾個重要的技術細節和注意事項來結束這節課 首先是這種電路被稱爲互補金屬氧化物半導體或CMO電路 這是因爲兩種類型的晶體管N型和P型功能上是相互對立的 這些電路具有很高的抗噪能力和低功耗 因爲其中一對晶體管總是處於關閉狀態 而且如果設計正確 易福特電源軌和接地軌之間永遠不會有通路 第二個注意事項是 儘管解釋返鄉器如何工作花了大約10分鐘 但實際上從輸入從零幅變爲一幅到山級 然後晶體管改變狀態 再到來自接地軌的零幅電壓傳到輸出 這個過程物理上只需要幾匹秒 也就是10的-12次方秒 每個標準單元完成其邏輯需要幾匹秒 那個擁有超過6000個標準單元的乘法紅單元 從輸入信號進入到所有標準單元 完成邏輯並改變狀態 從而在輸出線上產生正確的值 大約需要150-200匹秒 第三個注意事項是 晶體管極其複雜 例如 大多數FinFET都是由多個鰭片構建而成 以改善電氣特性 如果你想知道晶體管是如何製造的 或者它們是如何工作的 我們正在計劃多個視頻 將探討晶體管制造 晶體管物理學 爲什麼CMOS電路在上方使用P型晶體管 而在下方使用N型晶體管 以及晶體管設計的演變和未來 以上就是本期視頻的全部內容了 如果你喜歡這期視頻的話 別忘了點贊收藏關注三連轉發支持一下 這會對我們有非常大的幫助