当前课程知识点:计算机文化基础 > 第2课:揭开计算机的神秘面纱 > 从ENIAC到现代通用计算机 > 新材料带来新发展
从ENIAC诞生后短短的几十年间
计算机的发展突飞猛进
其中研发的新材料
是计算机发展的一个主要原因
计算机中主要电子器件
相继使用了电子管
晶体管
中小规模集成电路
超大规模集成电路
1946年到1956年
主要元器件是电子管
运行速度每秒5千次到4万次
1957年到1964年
用晶体管代替了电子管
运行速度每秒钟达到几十万次
到上百万次
1965年到1970年
以中小规模的集成电路取代了晶体管
运算速度每秒钟百万次到几百万次
1971年至今
采用大规模集成电路
和超大规模集成电路
运算速度每秒几百万到几亿次
新材料引起的计算机的几次更新换代
每一次更新换代都使计算机的体积和耗电量
大大减少
而功能大大增强
应用领域进一步拓宽
下面我们来梳理一下
元器件的发展历程
1904年英国电气工程师弗莱明
在爱迪生效应的基础上
发明了世界上第一支真空二极管
具有单向导电性
1906年美国工程师弗雷斯特
在弗莱明的真空二极管内
添加了第三个极
发明了真空三极管
起初电子管广泛应用在电报电话
无线通讯领域
不久人们还发现
真空三级管除了可以用来放大功能外
还可以充当开关的器件
其速度要比继电器快成千上万倍
电子管很快受到计算机研制者的青睐
计算机的历史也由此迈进电子的纪元
电子管原件有许多明显的缺点
以ENIAC为例
其内部有18800支电子管
它的发热量惊人
如果当锅炉每小时能烧开两吨水
为了散热专门配备一台30吨的冷却设备
是个耗电大户
它一工作整个费城西部的灯光
都暗淡下去了
而且容易损坏
一个电子管损坏
整台机器就不能正常运转
于是就得找出那个损坏的
再换上新的
非常麻烦
电子管还很贵
当时一个电子管
要卖一个到十几个美元
总之电子管对于计算机制造
并不是一个好选择
它的各种问题最终驱使计算机先驱们
目标明确的研发新材料
来取代电子管
于是肖克利等人
在1947年研制出晶体管
由半导体晶体
金箔和金属丝组成
电子管具有的功能
晶体管都能做到
电子管存在的缺点
晶体管都没有
当年用电子管做的
几间屋子大的计算机
用晶体管来实现的话
就能缩为几个机柜了
晶体管种类繁多
长什么样的都有
大家最熟悉的可能是发光二极管
计算机电视微波炉上的指示灯
都是发光二极管
电子管虽然在计算机制造上
不是一个好选择
但它的放大功能不能忽视
至今在一些高保真的音响器材中
任然使用电子管
作为音频功率放大器件
正是由于新材料晶体管的发明
几间屋子大的计算机
成功束身为几个机柜了
但是它还能不能再进一步
晶体管还能再小吗
为什么会提出这样的问题
我们不妨来做一道计算题
如果用晶体管制作一个存储器
用来保存100首MP3歌曲
要需要多少个晶体管呢
一般来说保存一个bt
需要几个晶体管
那么保存一个字节
就需要几十个
这样推算下来
保存1kb就需要几万个
一首MP3约3M
100首MP3歌曲约300M
那么需要50亿支晶体管
晶体管得堆积如山
这简直不可想象
你能接受这样的随身听吗
刚才的例子我们知道
无法用晶体管制作我们现在这样的随身听
那随身听是用什么材料制造出来的呢
1958年
34岁的基尔比
加入德州仪器
专注晶体管电路小型化的研究
有一天基尔比灵光涌现
他想一个大的电路
要使用很多晶体管
电阻这样的原件
电流不过是从一块掺杂的硅里出来
经过导线后又流入另一块掺杂的硅里
那么为什么不把连接线去掉
让电流直接从晶体管一个掺杂区域
流到另一个掺杂区域呢
就这样基尔比发明了集成电路
1959年
罗伯特·诺伊斯在基尔比的基础上
发明了一种新工艺
可以在一块本征硅上
制造大量晶体管
具备工业化生产的条件
使半导体产业
由发明进入了商用时代
同时还共同创办了两家
硅谷最伟大的公司
一个是仙童公司
一个是当今最大的设计
和生产半导体的英特尔公司
1971年
英特尔成功的在一块
12平方毫米的芯片上
集成了2300个晶体管
制成了世界上第一颗微处理器4004
开始了英特尔飞速发展
集成电路体积更小
耗电更少
而且寿命更长
可用于制造处理器的芯片和存储器
集成电路又叫芯片
是采用一定的工艺
把一个电路中所需的晶体管
二极管 电阻 电容和电感等原件
及布线互联在一起
制造在一小块半导体晶片上
然后封装在一个管盒内
成为具有所需电路功能的
微型结构
这是一个网上的图片
我们能够见到的芯片
把它放大两千倍
我们可以看到上面的布线
然后再给它放大
两万倍
就能看到里面的多层结构
再放大
就是硅片上做出的晶体管了
集成电路用绝缘的塑料或陶瓷材料
封装成一个个芯片
封装可以防止物理损坏
以及化学腐蚀
并提供对外连接的引脚
以便将芯片安装在电路系统里
我们常见的封装外壳
有扁平式的和双列直插式的
等多种形式
双列直插式常用作
中小规模集成电路的封装
它引脚的个数一般不超过100个
方形扁平式封装一般用在
大规模或超大规模集成电路的封装
现在集成电路
不仅在电子设备方面得到广泛应用
而且还应用到社会的各行各业中
集成电路已变的无处不在
集成电路的发明使微电子原件
成为所有现代技术的基础
1965年著名的摩尔定律
归纳了集成电路产业中
信息技术进步的速度
半个世纪以来
电路的集成度一直遵循着
每18个月翻番的速度高速发展
最终带来的直接效果
是计算资源的性能
越来越强大
而价格却变得越来越便宜
今天英特尔酷睿i5的性能
是英特尔第一代处理器4004的3500倍
而成本只有六万分之一
你手里的智能手机
恐怕比上世纪五十年代的超级计算机
还要强出不知多少倍
据计算目前人类能够达到的
最强处理能力
已经较上世纪计算机被发明的时候
提高了兆亿倍
2015年7月中
英特尔宣布下一代的10nm生产工艺
将推迟6月甚至更久的消息传出之后
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