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电子化的计算时代

微机原理 彭东稳 7354次浏览 已收录 0个评论

历史是分发复杂的,科学却要分门别类。但是,如果你看的仔细些,各门学科之间都是互相借鉴、互相学习的,就这样向前发展。

一开始,电学在磨磨蹭蹭地往前走,当然是越来越快于是电磁跌发明了,也有了电报继而又继电器。于是这些电子计算机的先驱们就用最原始的继电器造出哪些最原始的计算机器。虽然机器非常庞大,用了数不清的继电器。但还好的是可以做计算了。

  • 电子管

计算机用上继电器是在20世纪30年代左右,其实用继电器制造的运算电路是一个名符其实的怪胎。原因在于它的工作需要电流的驱动,但它的吸合和释放却是一个机械过程。并且它的工作速度也不那么令人满意。计算机应摆脱机械包括笨拙的继电器,完全实现电子化的运算,而传电子化的运算很奇妙,两股代表着不同数值的电流在某个装置内汇合,互相影响,变成另一股合适的电流,这就是计算结果。最重要的是在这个过程中没有机械的影子,看不到继电器衔铁的吸合与释放。而第一个做出这项变革的人是一个叫阿塔纳索夫。

但再早些时候,1904年人们又发明了另外一种东西叫电子二极管,后1906年又有了电子三极管。慢慢地电子三极管制造工艺变的成熟,而阿塔纳索夫的核心思想是使用二进制,并采用电子管来制作进行加减乘除所需要的逻辑电路。电子管是新材料,而继电器能做的事情它也能做。电子管还有一些继电器所不具备的优势,它是纯电子的,开关速度要比继电器快成千上万倍。

对于早期的计算机来说,电子管是好东西。遗憾的是及其贵。所以制造这样一台可以存储程序并自动进行计算的机器需要的并不仅仅是胆识,还有钱。1943年,第二次世界大战正打的不可开交时,美国军方需要为他们的新式火炮制作弹道表。为了赶时间,他们斥巨资要科学家们帮助造一台计算机。后来耗时3年这台机器研究成了,这台机器每秒钟能做5000次加法,用了成千上万的电子管和继电器。只不过这个时候战争以及结束了。

  • 晶体管

此后计算机一直按着自己的步调慢慢发展。但就在这个过程中,也就是1947年另一种比电子管更好地东西出现了,那就是晶体管,美国贝尔实验室的肖克利、巴丁和布拉顿组成的研究小组,研制出一种点接触型的锗晶体管。晶体管的问世,是20世纪的一项重大发明,是微电子革命的先声。晶体管出现后,人们就能用一个小巧的、消耗功率低的电子器件,来代替体积大、功率消耗大的电子管了。晶体管的发明又为后来集成电路的诞生吹响了号角,后在1956年他们三个人一起荣获了诺贝尔物理学奖。

晶体管是由“硅”和“锗”组成,和金属相比硅和锗的导电性能很差,不过比绝缘体要活跃些。所以它们赢得了“半导体”的称呼。

世界上第一台晶体管计算机诞生于肖克利获得诺贝尔将的那一年,即1956年。领先一步的工程师们有幸参与其中,目睹了采用晶体管的电子计算机成功减肥,既不需要灯丝,也不需要高电压,工作稳定。说来也巧同样在1956年,周恩来总理亲自提议、主持、制定我国《十二年科学技术发展规划》,选定了“计算技术、半导体技术、无线电电子学”等。同年我国第一个计算技术研究机构“中科院”成立,主任就是大数学家华罗庚。

  • 集成电路时代

在翻过了肖克利这一页之后,晶体管没有停滞不前,而是以更快的速度改变着整个世界。晶体管的工作原理和一块硅的大小实际上没有关系,晶体管实际上可以做的很小,小到连肉眼都看不见。但丝毫不影响他的单项导电性。也照样可以放大信号,但是如果没有其他物理化学工艺上的支持,这都是白扯。

1958年,一个叫基尔比的美国人又一次改变的现状,基尔比的工作时研究晶体管电路的小型化,一天他突然觉得自己开窍了。他想,一个大的电路要使用很多零件,比如晶体管和电阻这些东西。如果换一个视角来观察这个电路的工作,你会发现电流不过是从一块掺杂的硅里出来,经过导线之后又流入另一块掺杂的硅里,本质上就是这么简单。为什么不把连接去掉,让电流直接从一个掺杂区域流到另一个掺杂区域呢?就这样,基尔比发明了“集成电路”,在距离他发明第一块集成电路42年之后,2000年它获得了诺贝尔物理学奖。下图是两种常见的集成电路图

电子化的计算时代

比起晶体管来,集成电路又更小、更便于使用、而且耗电量耕地,这是它具有光明前途的优良特征。它应当被迅速应用到电子计算机上。

一台电子计算机可以看出是紧密团结、有效协作的大家庭,它的核心成员包括存储器、运算器、控制器,以及一些七零八碎的门电路和触发器。存储器以及被集成化,心急的人们成胜前进,把运算器和控制器也集成到一个单独的芯片里,这样就形成了人们常说的微处理器,这个名称非常恰当地表明了它的体积和具备的功能。微处理器的硅片很小,但是却包含了成千上万、几千万甚至几亿个晶体管。当然,微处理器必须配合其他电路才能发挥作用,所以要给它加个壳封起来,向外引出一些导线。如图:

电子化的计算时代

(这是一款老式CPU,中间的黑色部分是它的核心,周围分布的小圆点是它的引线脚)

微处理器更多地被成为中央处理器CPU,而集成电路的发展速度很快,随着技术的进步,大规模集成电路时代来到。一个针尖已经可以容纳3000万个45纳米大小的晶体管。除了集成度和工作速度之外,微处理器的另一个特点是它们都有各自的指令集。比如,对于甲公司生产的微处理器来说,它有一条指令1000100010010010;但是对于乙公司生产的CPU来说,这可能根本就不是一条指令或者这条指令完全是另外一个意思,完成的是另外一个工作。

  • 芯片帝国Intel

1968718日,鲍勃-诺斯和戈登-摩尔的新公司在美国加利福尼亚州,美丽的圣弗朗西斯科湾畔芒延维尤城的梅多费大街365号开张了。并在成立不久斥资15000美元从一家叫INTELCO的公司手中买下了Intel名称的使用权。由此Intel这位半导体巨人开始了他在IT行业传奇般的历史。

19711115日,这一天被当作全球IT界具有里程碑意义的日子而被写入许多计算机专业教科书。Intel公司的工程师特德·霍夫发明了世界上第一个微处理器—4004,这款4位微处理器虽然只有45条指令,而且每秒只能执行5万条指令。甚至比不上1946年由美国陆军宾夕法尼亚大学研制的世界第一台计算机ENIAC。但它的集成度却要高很多,一块4004的重量还不到一盅司。 他因发明了微处理器,被英国《经济学家》杂志称为“第二次世界大战以来最有影响的科学家之一”。Intel公司的CPU发展历程如下表所示:

电子化的计算时代

以及后面的Pentium 1,2,3,4,再到酷睿、酷睿i3,酷睿i5,以及现在的酷睿i7,至强等等这里就不再一一列举。Intel8086开始,就进入了我们所谓的x86时代。而80386的诞生则标志着Intel正是进入了32位微处理器的时代。从80386Pentium 4这个年代的CPU,就是传说中的IA-32时代。

当然肯定不止intel一家公司做CPU、比喻还有AMD公司的翼龙、摩托拉拉的M8600IBMPower等等。忘了说了还有国产的龙芯。


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