積體電路（IC）是什麼？晶片、晶粒、LSI、SoC的差異
積體電路（IC）是把大量的電晶體和配線等，一起做進一小片矽裡的電子電路。比起把零件一個一個連接，能做得更小、更便宜、更快，也更不容易壞。「晶片」和「LSI」指的也幾乎是同樣的東西，而SoC是把機器的主要功能集中在1顆晶片上的IC。
這篇文章可以了解
- 「積體」是把什麼集中在一起
- IC為什麼是劃時代的發明
- IC、晶片、晶粒、LSI、SoC、封裝的差異
- IC的種類，以及設計的流程
- IC和機器電路板連接的形式
先備知識：不需要。如果知道電晶體是「用電切換的小開關」，會比較容易閱讀（「電晶體是什麼？」）。
生活中的例子：手機裡的黑色零件
手機裡有一塊放置零件、用配線把零件連起來的板子。這稱為電路板。電路板上排著好幾個黑色或銀色的方形零件。其中大多數是IC，也就是積體電路。
維修資訊網站iFixit調查並公開了iPhone 15 Pro Max（2023年）電路板上的零件。上面排著好幾個工作各不相同的IC。
- 負責計算核心的晶片（Apple的A17 Pro）
- 暫時記住工作中資料的記憶體
- 存放照片和App、用來保存的記憶體
- 把電池的電，調整成適合各個零件電壓的IC（有好幾個）
電視、冰箱和汽車裡，也裝了很多IC。
「積體」是什麼：把零件和配線一起做出來
電子電路是用電線把許多零件連接起來做成的。代表性的零件，是用電切換的小開關：電晶體。過去是把零件一個一個分開製造，排在電路板上，再用焊錫（在較低溫度就會熔化的金屬）連接。
零件還有電阻和電容器。電阻是讓電流不容易流動的零件，電容器是能存一點電的零件。兩者到現在仍然以單顆零件的形式販售。
積體電路是把這些零件和配線，集中做在一小片矽裡。電晶體、電阻和電容器，都用相同的製程，在矽上一層層疊出形狀。連接零件的金屬配線，也在同一個流程中做出來。「積體」就是把零件和配線集中在一處，做成一個整體。
數十億個電晶體，也不是一個一個做的。而是用光轉印圖案的方法，一次一起做出來。製造方法在「半導體晶片是怎麼做出來的？」中說明。
另外，這張圖做了簡化。實際的IC裡，零件幾乎都是電晶體。數值大的電阻和電容器很占空間，所以也常放在IC外面，當成另外的零件。
為什麼是劃時代的發明
IC誕生之前，最大的煩惱是零件的數量。想讓計算機的效能更高，零件和接點就會不斷增加。只要有1個接點脫落，裝置就無法正常運作。
極端的例子，是1946年公開的美國計算機ENIAC。這是電晶體普及前的機器，用了1萬7千支以上的真空管來當開關。根據密西根大學的說明，焊接的接點大約有500萬處。
解決這個煩惱的，就是積體電路。傑克·基爾比在1958年、羅伯特·諾伊斯在1959年，提出了它的基本形式。這段歷史可以在「電晶體是什麼？」的年表中看到。一起製造之後，主要帶來了4個優點。
- 不容易壞：用焊錫連接零件的地方變少，會脫落的地方也就變少。
- 便宜：不必組裝，可以一起製造。1片晶圓（矽做的圓形板子）能同時做出數百顆IC。
- 快：零件之間的距離變短。配線短，配線上要存的電就變少，訊號能更快切換。
- 小，而且用電少：同樣的電路，能放進指尖大小的空間，用電也減少。
後來共同創辦Intel的高登·摩爾，也在1965年寫了一篇論文。內容是IC不容易壞，也讓整台機器的費用降低。零件數量幾乎每年增加為2倍，也就是後來的摩爾定律，也是同一篇論文提出的。
IC、晶片、晶粒、LSI、SoC的差異
IC的周圍，有很多相似的詞。有時只是同一個東西，依場合換個叫法而已。下面用圖和表來整理。
晶片與晶粒：本體的一小片矽
IC的本體，是從晶圓切下的一小片矽，大多是邊長數mm到2 cm左右。這稱為晶片。在製造和設計的現場，同樣的東西也稱為晶粒（die）。
不過，在日常對話中，「晶片」也常指裝在封裝裡的整個零件。「AI晶片」這類新聞用語，也是這個廣義的意思。
封裝：從外面看得到的部分
晶粒非常薄，容易破裂，也怕濕氣。所以要把它放在底座上，加上和外界連接的端子，再用樹脂等材料包起來。包含這個外殼在內的整個零件，稱為封裝。電路板上看到的黑色方塊，大多是這個封裝的樹脂。
LSI、VLSI：依規模的名稱
IC過去依裡面零件的數量來區分名稱。零件多的大型IC稱為LSI（大型積體電路），更多的稱為VLSI（超大型積體電路）。
分界的數量，並沒有固定的定義。例如，有大學的講義把零件1,000個以上算作LSI。現在大規模已是理所當然，所以IC和LSI幾乎當作同樣的意思使用。
SoC：把機器的主要功能放進1顆晶片
手機負責計算核心的晶片裡，除了CPU，還有畫出畫面的電路（GPU），以及適合AI計算的電路。像這樣把機器主要功能集中在一起的IC，稱為SoC（系統單晶片）。在日本也稱為「系統LSI」。CPU的功能在「CPU是什麼？」中說明。
| 名稱 | 指的是什麼 | 常用的場合 |
|---|---|---|
| IC（積體電路） | 把零件和配線集中在一片矽上的電路。販售時是裝在封裝裡的零件 | 一般的名稱 |
| 晶片 | IC本體的一小片矽。對話中也指整個零件 | 新聞、日常對話 |
| 晶粒 | 和晶片相同的一小片矽 | 製造、設計的現場 |
| LSI、VLSI | 規模大的IC。現在和IC幾乎同義 | 日本的業界、教科書 |
| SoC | 集中了機器主要功能的1顆晶片 | 手機、電腦 |
| 封裝 | 包住晶粒、和外界連接的外殼（以及包含它的整個零件） | 組裝、安裝到電路板 |
IC的種類：依工作來分
IC可以依負責的工作大致分類。這裡搭配生活中的例子，分成4類來看。
- 計算（邏輯）：組合0和1的訊號，進行計算或判斷的IC。CPU、GPU、手機的SoC等都屬於這一類。
- 記憶（記憶體）：用0和1記住資料的IC。放置工作中資料的DRAM速度快，但關掉電源，內容就會消失。保存照片等的NAND快閃記憶體，關掉電源也不會消失。
- 處理平滑的訊號（類比）：處理聲音、電波、溫度這類連續變化訊號的IC。把小訊號放大，或轉換成0和1的資料。
- 調整電源（電源管理）：從電池等的電，做出適合各零件的電壓並分配的IC。稱為PMIC（電源管理IC），手機裡有好幾個。
這裡做了簡化。統計全球半導體出貨的組織WSTS，把IC分成「類比」「微元件」「邏輯」「記憶體」。CPU和微控制器（把小型電腦集中在1顆裡的IC）屬於「微元件」，電源管理IC主要屬於「類比」。相機影像感測器這類感測器，以及處理光的零件，則和IC分開計算。
2025年全球半導體的營收是7,917億美元。這是美國半導體產業協會（SIA）在2026年2月，根據WSTS的資料公布的數字。依分類來看，「邏輯」是3,019億美元，「記憶體」是2,231億美元，兩者約占整體的3分之2。
另一種分法，是許多公司買來使用的通用IC，以及只為特定產品設計的IC。後者稱為ASIC（特殊應用積體電路）。賣得越多的產品，專門製作的意義就越大。
IC的誕生過程：先設計
IC在製造之前，要先在電腦上做出設計圖。數十億個電晶體，不可能由人一個一個畫出來。所以要借助稱為EDA（電子設計自動化）的專用軟體。大致的流程如下。
- 決定規格：決定這是做什麼的IC，以及速度和耗電的目標。
- 寫出功能：用類似程式的專用語言（硬體描述語言），寫出電路的動作。
- 轉換成電路：由軟體把寫好的動作，轉換成處理0和1的小電路（邏輯閘）的連接。這個工作稱為邏輯合成。
- 排列並連接：把零件排在晶片上，決定配線的路徑。這稱為佈局與繞線。
- 確認：在每個階段，都在電腦上讓電路動動看（模擬），確認它能正確地、以決定的速度運作。
- 交給製造端：把完成的設計資料交給製造端。這稱為投片（tape-out）。
製造端會根據設計資料，做出畫有每一層圖案的原版（光罩）。接著在工廠做出電路，經過檢查、切開，再裝進封裝。工廠裡的這個流程，在前面介紹的「半導體晶片是怎麼做出來的？」中說明。
設計的公司和製造的公司常常是分開的，它們的差異可以在「IDM、無晶圓廠、晶圓代工的差異」中比較。
把IC和外界連接起來
晶粒的表面，排著和外界交換訊號與電力的小電極。晶粒和封裝的底座，是用細金屬線連接，或是把晶粒翻過來，用小金屬顆粒直接連接。這2種方法可以在「打線接合與覆晶的差異」中比較。
從封裝到機器的電路板，是用外側的端子連接。自古以來的形式，是從封裝側面伸出金屬腳。從四邊伸出腳的QFP，到現在仍很常用。例如，用來控制家電的微控制器就會使用。
端子數量多的IC，會在封裝底面整面，把小錫球排成棋盤格狀。這種形式稱為BGA。不只是邊緣，整個面都能使用，所以能排很多端子。放到電路板上加熱後，錫球熔化，就和電路板連接起來。
端子的數量，依IC而有很大的差異。1971年的Intel 4004，端子是16支。Intel的桌上型CPU（第12～14代），背面排著1,700個平的接點（稱為LGA1700的形式）。形式的比較整理在「BGA、QFP、QFN的差異」中。
常見的誤解
誤解：說到IC就是指CPU
實際上，CPU只是IC的一種。手機裡也有記憶體、電源管理、處理聲音和電波的IC等，好幾個工作不同的IC。在營收的統計中，CPU等「微元件」也只是IC的4個分類之一。新聞裡CPU和AI晶片特別醒目，所以產生了這個誤解。
誤解：電路板上的黑色方塊，就是晶片本身
實際上，看起來黑色的，大多是包住晶粒的封裝樹脂。本體的晶粒在裡面，通常比封裝小。例如4004的晶粒約3 mm×4 mm，裝在有16支端子的細長封裝裡。「晶片」這個詞也用來指整個零件，所以產生了這個誤解。
誤解：電晶體越多，一定是效能越好的IC
實際上，效能取決於電晶體用在什麼地方、如何組合。用同樣的製法增加數量，晶粒會變大，1片晶圓能做出的數量就減少。良品的比例（良率）也容易下降，價格和耗電也容易上升。也有像電子鍋的微控制器那樣，小而便宜才最重要的用途。新晶片常用電晶體數量來介紹，所以產生了這個誤解。
從數字來看
| 數字 | 是什麼的數字 |
|---|---|
| 約500萬處 | ENIAC（1946年）焊接接點的數量（密西根大學的說明） |
| 1,000個以上 | 稱為LSI的零件數量的一個例子。沒有固定的定義 |
| 約3 mm×4 mm | Intel 4004（1971年）晶粒的大小。端子16支 |
| 1,700個 | Intel桌上型CPU（第12～14代）封裝的接點數量 |
| 約3分之2 | 2025年全球半導體營收中，邏輯和記憶體合計的比例（SIA，2026年2月公布） |
進一步學習
- 用表格看差異：ASIC、FPGA、SoC的差異、DRAM與NAND快閃記憶體的差異、半導體前段製程與後段製程的差異
- 用數字試試看：用晶粒良率計算器，可以計算晶粒變大時，能做出的數量和良品的比例會如何變化。
- 試試0和1的電路：用邏輯電路模擬器，可以組合IC裡的邏輯閘。
- 接著閱讀：縮小電晶體的世代數字是什麼意思，在「「2奈米」「3奈米」是什麼的長度？」中說明。