电脑究竟有多少个芯片？

什么是芯片？

我们所说的芯片（Chip），其实就是集成电路的另一个说法，也可以被称作微电路（00）、微芯片（MicroChip）（图2），其本质就是将电路（主要包括半导体设备，也包括被动组件等）集中制造在半导体晶圆表面上的小型化方式。

像CPU這一类的芯片，我们可以将其称作超大规模集成电路，因为它内部拥有数量即为惊人的晶体管，甚至有些芯片展开后，可以达到一座城市的规模水平——只不过通过更先进的制程工艺（纳米为单位），微缩到一个极小的单位内而已（图3）。芯片最大的优势就在于此。

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芯片大致可以分为数字集成电路、模拟集成电路以及混合集成电路（模拟和数字在一个芯片上）三种，还是拿CPU举例，它属于数字集成电路。数字集成电路可以包含任何东西，在几平方毫米上有从几千到百万乃至上亿个逻辑门、触发器、多任务器和其他电路（图4）。数字集成电路的工作使用二进制模式，处理0和1两种信号。而模拟集成电路中，主要包含传感器、电源控制电路以及运放，用来处理模拟信号。模拟集成电路的工作主要负责放大、滤波、解调、混频等等。

至于混合集成电路，它将前二者集成到一个芯片之上，主要是为了负责处理数（字）模（拟）转换的工作，但是，在如此小巧、面积有限的体积内集成数字电路和模拟电路，就必须对信号冲突做特别设计，否则将无法正常工作。电脑上这大大小小的芯片，几乎都属于单纯的数字电路或者模拟电路，数（字）模（拟）转换的混合集成电路很少。

可能会有读者发现，既然集成电路可以做到“海纳百川”，为什么不能把所有芯片都放置在同一个芯片上？其实并不是没有，所有芯片放置在一起，被称作SoC（System on a Chip）、SIP（System in a Package），它们可以容纳下几乎所有必备的“功能组件”，包括：

1. 微控制器或微处理器、数字信号处理器，或者是多个中央控制核心

2. 存储器则可以是只读存储器、随机存取存储器、EEPROM和闪存中的一种或多种

3. 用于提供时间脉冲信号的振荡器和锁相环电路

4. 由计数器和计时器、电源电路组成的外部设备

5. 不同标准的连线接口，如通用串行总线、太网、通用异步收发和序列周边接口等

6. 用于在数字信号和模拟信号之间转换的模拟数字转换器和数字模拟转换器

7. 电压调理电路以及稳压器

例如你看到的手机用芯片，就属于SoC、SIP产品。不过，它们也没有集成存储等芯片。之所以还要区分出两个不同的类型，是因为SoC是单一芯片，上述所有功能部分都设计在同一个芯片之内（图5）;而SIP虽然“看起来”还是一个芯片，实际上其内部是多个功能芯片封装在一起（图6），而非原生单芯片。

那么为何电脑不能使用SoC、SIP的芯片呢？第一是因为体积需求不同，电脑的空间远非手机可比，庞大的空间可以让设计更有宽裕度;其次是个人电脑属于通用性设备，它需要具备极强的扩展性以及可更换性，如果是“大一统”的全集成，这个要求就无法实现;第三是散热问题难以解决，强如拥有1140亿晶体管的苹果最新M1 Ultra CPU，也只是集成了CPU、A I引擎、图像处理器（ISP）、NVM存储、Thunderbolt 4控制器和Secure Enclave、片上高速内存的SIP产品，无法进行进一步的集成，原因就是无论从体积（封装面积达到RyzenCPU的三倍）（图7）还是制程工艺（5nm）来看，都已经是当下的极限了，再大将无法控制散热问题，更不要说直接将这些部分直接集成为SoC了。

最后就是成产成本问题，芯片的生产是有良品率概念的， 一旦良品率不高，同一块晶圆上的芯片废品率增加，那么生产成本将几何倍数增长，这对厂商来说无法接受，对用户而言也不可接受，毕竟售价体现了成本。

好了，现在我们就要真正“走入”电脑，看看都有哪些芯片吧！

EC、SIO芯片

电脑启动的第一步是什么？通电开机对不对？按下开关后电脑启动，通常情况下我们认为的电脑是从自检开始，其实不然。在电脑通电的开关按下之后，第一个参与工作的是I/O芯片（图8）。I/O是英文Input/Output的缩写，意思是输入与输出。I/O芯片的功能主要是为用户提供一系列输入、输出接口，鼠标/键盘接口（PS/2接口）、串口（COM口）、并口、USB接口、软驱口等统一由I/O芯片控制。部分I/O芯片还能提供系统温度检测功能，用户在BIOS中看到的系统温度最原始的来源就是这里提供的。I/O芯片的供电一般为5V和3.3V，I/O芯片直接受南桥芯片控制，如果I/O芯片出现问题，轻则会使某个或全部I/O设备无法正常工作，重则会造成整个系统的瘫痪。假如主板找不到键盘或串讲口失灵，很可能是为它们提供服务的I/O芯片出现了不同程度的损坏。大家平时所说的热插拔操作就是针对保护I/O芯片提出的，因为在进行热插拔操作时会产生瞬间大电流，很可能烧坏I/O芯片。

先以笔记本电脑来说明，这个I/O芯片在笔记本电脑上的名称是EC芯片（图9），即Embedded Controller（扩展控制器）。它是一个16位的芯片（主板BIOS芯片是32位、CPU处理器是64位），它其实掌控着笔记本的方方面面。

EC芯片其实脱胎于笔记本键盘控制器，经过发展成为独立的一级芯片（图10），用以控制笔记本电脑。举例来说，插上笔记本电源后，充电控制、电源指示灯，都是由EC芯片控制;当笔记本电脑、乃至台式机电脑过热的时候，系统散热风扇开始提高速度，这个温控散热的工作，其实是由EC芯片来负责执行的。

别以为EC芯片只有在开机才工作，即便是关机状态，只要有电源接驳（包括笔记本电池），EC芯片都会工作。甚至，EC芯片还会与充电器“握手协商”，给笔记本供应什么样电压的电力（使用PD充电器时，先以5V电压输入，与EC芯片握手确认充电协议，反馈信息给电源后，再以合适的电压，例如20V给笔记本供电）。

显然，这是单纯电路不能完成的工作，因此EC芯片需要自己的固件（Firmware）来控制，也就是俗称带程序的EC芯片（早期EC芯片没有程序），通过内置的固件（程序）来执行设定好的“任务”（图11）。这个固件存放的地方一般有两个，第一种是带有存储空间（非易失性存储），第二种情况是EC芯片自身没有存储空间，它的固件程序会被放置在BIOS芯片中。

其实，用I/O芯片来指代EC芯片并不严谨，毕竟现在它不止控制I/O输入输出接口那么简单了。最初，它是对主芯片，例如CPU、PCH或Soc的I/O端口扩展，比如笔记本键盘、触摸板控制等等。不知道你发现问题了没有？这不是应该属于BIOS的“工作”吗？为什么EC芯片也要参与？BIOS芯片的全称是“Basic Input Output System”基本输入输出系统，它的工作主要就是初始化设备（笔记本、台式机）的硬件，当然包括诸如键盘、鼠标等外设。

但是，这二者之间（EC vs BIOS）并不是对立、重叠关系，相反，它们在“工作”中属于互相配合的存在。

首先由EC芯片进行电源管理，开机后“交由”BIOS工作，而BIOS在启动运行的过程中会不断与EC交互沟通，确保一切无误后，BIOS才会引导操作系统。

相比于筆记本电脑使用的EC芯片，台式机电脑也有个类似的芯片，名称为SIO（图12），全称是Super Input Output即超级输入输出，它和EC芯片的作用相似，也能控制诸如键盘、风扇等等设备。但它和EC芯片的区别在于，SIO没有独立的固件程序，初始化和配置操作全部由BIOS管理——通俗的理解是，笔记本电脑的EC芯片带“程序”而台式机电脑的SIO芯片没有“程序”。其实，除了这一点之外，二者就没有什么差别了。

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BIOS ROM芯片

EC/SIO芯片工作的下一步自然就是BIOS ROM芯片（图13）的工作，BIOS专门负责系统硬件各种参数设定，本质上是“程序”，也就是一组“代码”。BIOS被存储在BIOS ROM芯片中，是特指存储BIOS程序的一块特定的ROM芯片，本质上，BIOS ROM芯片是一个非易失性存储器（EEPROM），方便厂商维护更新BIOS程序。注意，这里的BIOS是指代BIOS和UEFI（Unified Extensible Firmware Interface，统一可扩展固件接口）的，现如今UEFI已经取代了BIOS，只是普遍的用语习惯还是叫做BIOS罢了。

BIOS是相对固化的一个“系统”，是个人电脑启动时加载的第一个程序（图14），当然，在带有程序EC芯片的笔记本电脑上，它就是第二个了。BIOS的作用是初始化和测试硬件组件，以及从大容量存储设备（如硬盘）加载启动程序，并由启动程序加载操作系统;当加载操作系统后，BIOS通过系统管理模式为操作系统提供硬件抽象。

当电脑的电源开启经由EC、SIO芯片后，BIOS就会从主板上的ROM芯片执行，BIOS首先连接到PCH芯片，然后是CPU中的北橋（MCH），最后“连通”CPU。然后会执行加电自检（POST），测试和初始化RAM、直接存储器访问控制器、键盘、硬盘等设备。当所有的Option ROM被加载后，BIOS就试图从启动设备（如硬盘、USB存储器）加载启动程序，由启动程序加载操作系统。

现在的BIOS有“启动区块”（BootBlock）这样一个设计，属于BIOS ROM的一部分，一引导就会被执行。这个程序会在执行BIOS 前，验证BIOS其他部分是否正确无误（经由检验和等等）。如果启动区块侦测到主要的BIOS（图15）已损坏，则可自动读取闪存盘/光盘中的特定BIOS文件并更新BIOS。主板厂商/OEM经常发出BIOS升级来更新他们的产品和修正已知的问题。

供电芯片

在电脑通电开机之后，供电电路就会根据“指示”，为CPU、内存、PCH芯片等设备进行供电。那么，供电还要芯片吗？当然需要，而且非常重要！一般来说，CPU供电主要采用开关电源电路， 这是通过控制开关管开通和关断的时间和比率，维持稳定输出电压的一种供电模式。组成一组完整的开关电源电路通常需要有电容、电感、MosFET场效应管以及PWM脉冲宽度调制芯片四类元件组成，本文中我们不谈及供电的原理方式，主要谈谈供电芯片——PWM。

PWM芯片是开关电路控制模块的重要组成之一，它控制着电压输出的高低、电流的大小，它起到了决定性作用。所谓的PWM实际是缩写，全称为Pulse Width Modulation，即脉冲宽度调制，其属于我们谈到的“混合集成电路”。它是利用数字输出的方式对模拟电路进行控制的，可以对模拟信号电平进行数字编码，并依靠改变脉冲的宽度来控制电压的输出、改变脉冲调制周期来控制输出的频率（图16）。

除了传统PWM芯片，现在还流行的一种供电芯片——数字式PWM芯片（图17），准确称谓应该是“集成化数控供电模块”。它将原本对供电原件输出的模拟信号改为数字信号，这样一来，输出的功率会更精准，尤其对高频CPU来说，这样运行会更加稳定。而且，因为该用贴片式设计，它的散热问题也迎刃而解，只是成本成倍增长，所以还没有完全取代传统PWM芯片。

PCH芯片（芯片组）

电脑启动，“调整”好输入输出设备，并提供正确的电压电流后，再经过自检，就要“启用”PCH芯片（芯片组）（图18）了。所谓PCH，全称为Platform Controller Hub，即平台路径控制器，它负责取代以往的I/O路径控制器（I/OController Hub），即ICH南桥芯片。

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在PCH出现之前，主板通常有两块主要的芯片构成芯片组，也就是传统称谓上的南桥和北桥（图19）。靠近CPU的芯片为北桥芯片，远离CPU的则为南桥芯片。南桥芯片主要负责低速的I/O，例如SATA、USB和LAN，北桥芯片负责较高速的PCIe和内存控制器的读取交互。

随着CPU的不断发展，这种构架带来了极大的瓶颈，尤其是北桥和CPU之间的通信速度远远不能满足性能需求，所以，现在的CPU都是直接集成了存储器控制器、核芯显卡、高速PCIe控制器，而原本ICH南桥芯片的工作交由PCH芯片管理。

某种程度上，PCH芯片可以看做电脑连接设备的“大管家”，负责诸多计算之外的设备“管理任务”，并通过专用的通道（总线）和CPU连接协同工作。

声卡Codec芯片

还有人在意声卡是什么规格吗？为什么现在的声卡都没有太多的着墨，是厂商不重视吗？当然不是，这根本的原因，还是在于声卡芯片的特性……

现在所有的半载声卡，都是属于H DAudio规范下的产物，然而它并不是真正的“声卡”，准确的说，这个芯片只负责声卡的部分工作，其余的部分交由CPU处理。HDAudio全称High Definition Audio，即高保真音频，是英特尔与杜比（Dolby）公司合力推出的新一代音频规范，它是为取代AC' 97音频规范而生的。它是一种软硬混合的音频规范，主要I/O控制器部分在集成于PCH芯片，DSP部分由CPU负责处理，而所谓的板载声卡芯片，只是数模转换的Codec芯片（图20）而已。

（21）

Codec芯片同时具有D/A（数字讯号转换成模拟讯号）和A/D（模拟讯号转换成数字讯号）转换功能，因此，它也是一颗“混合集成电路”（图21）。

网卡芯片

一如声卡芯片不是声卡，板载网卡，或者叫Integrated LAN，也不是真正的网卡。以有线网络来说，以太网接口可分为协议层和物理层。 协议层是由一个叫MAC（Media Access Layer，媒体访问层）控制器的单一模块实现。物理层由两部分组成，即PHY（Physical Layer）物理层，主要负责数据调制解调和传输。 常见的网卡芯片都是把MAC和PHY集成在一个芯片中（图22），但目前很多主板的PCH芯片已包含了以太网MAC控制功能，只是未提供物理层接口，因此，需外接PHY芯片以提供以太网的接入通道。

（22）

所以，很多主板上看到的主板板载网卡芯片，其实是PHY芯片罢了。那么，板载网卡究竟如何判断是硬网卡还是软网卡？以英特尔网卡为例，如果对一个网卡芯片的描述是XX ethernet connection，这就是软网卡;如果描述是XX ethernet controller，则是硬网卡，关键的描述区别就在于“connection”还是“controller”。此外，如果一块主板上有两个（或更多）网络接口（图23），那么第二个接口使用的网卡必然是硬网卡——因为PCH芯片通常只集成一个MAC。

（23）

CPU（图24）和GPU芯片自然不用过多着墨，这两个部分可谓是电脑的核心芯片了，不过要注意，带有集成显卡的CPU可以省去一个芯片，不需要额外的GPU（也要看个人使用需求，毕竟独立显卡性能一般要强于集成显卡），它们的作用也无需笔者多言;还有一些周边的连接设备，例如USB控制器、SATA控制器，它们本是为拓展电脑的外部接口而生，本身的核心功能和CPU、PCH芯片集成的相差不大。当然，这些接口实际都是连接到PCH芯片的PCIe通道上的，也就是说，USB控制器、SATA控制器这类设备，甚至是网卡设备，都不是无限增加的，在总带宽、总通道数的限制之下。

這些林林总总的芯片加在一起，再辅以电路连接，才能构成一个完整的电脑（图25），而不是某一个芯片“大包大揽”。一如前文所述，电脑的芯片无论从经济效益上、生产成本上，还是使用的便利性（如拓展性、功能性）上，不可能做到一个芯片取代所有。当然在功能性上，CPU确实有着集成度越来越高的情况，例如从早期浮点、整数计算单元的集成，到后来北桥芯片被CPU集成，乃至于发展到网卡、声卡的集成，但是，这不代表CPU可以集成一切。