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集成电路:从电子管、晶体管到CPU

发布时间:2014-04-25阅读:3682


    进入20世纪以后,各个科学领域和技术部门的计算需求堆积如山,尤其是二战的爆发,各国进入生死存亡的关头,军事需求极大地催生了各种技术的应用,在这种情况下,对高速计算工具有了更多的需求。尽管依靠计算工人解决了最紧急的需求,但在效率和运算量上却存在天然的缺陷。这也使计算机确定了从电子管到晶体管,从专用设备到全社会普及的发展之路。电子管:二战带来的抉择

    在教科书中,ENIAC就是电子计算机的起源,而电子管也就在那一刻,确定了其在计算机发展史中的地位。其实,在电子计算机的襁褓期,机电结构还是纯电子计算机,继电器还是电子管?计算机的发展也面临着迷茫中的抉择。

    1943年,当二战激战正酣时,美军迫切需要高速计算工具,以计算炮弹的弹道。在迅速获得15万美元的预算后,速度成为第一诉求,继电器在收到信号后因为有百分之一秒延时而拖慢计算速度注定要被抛弃。而真空三极管的诞生,让计算机可以快速的通过控制栅极电流,来开启或关断电子管两端的电流,获得比继电器速度快成千上万倍的开关速度。这对于提升当时计算机的速度大有好处。正因为这样的优势,让电子管击败继电器,成为早期计算机的核心运算部件。

    在这样的要求下,拥有17468个电子三极管、7200个电子二极管、70000个电阻,10000个电容器、1500个继电器、6000多个开关、重达30吨的ENIAC在三年后,也就是1946年2月14日终于诞生,而让它姗姗来迟的,还是预算,要知道ENIAC最终花了军方48万美元。其每秒执行5000次加法或400次乘法的计算能力在今天看起来微不足道。不过别忘了,之前的Z3计算机每秒只能进行3~4次加法计算,5秒才能计算一次乘法。电子管让计算机有了千倍的速度提升。这也确定了ENIAC的历史地位,并确定了电子管在计算机发展中的重要性。

    第一台电子计算机ENIAC的历史照片

    晶体管计算机:缩小为衣橱大小

    ENIAC的诞生,让科学家们享受了计算的畅快,但却必须痛苦地使用它。不仅因为它贵,更因为电子管实在太耗电,零件的寿命也太短,据说ENIAC每次一开机,整个费城西区的电灯都为之黯然失色。同时接近18000个电子管,几乎每15分钟就可能烧掉一个,但操作人员可能要花15分钟以上的时间才能找出坏掉的管子,使用上极不方便。曾有人调侃道:“只要那部机器可以连续运转五天,而没有一只真空管烧掉,发明人就要额手称庆了”。

    因此在晶体管技术投入实用后,计算机的计算元件也迅速的电子管向晶体管进化,1954年,美国贝尔实验室研制成功第一台使用晶体管线路的计算机,取名“催迪克”(TRADIC),装有800个晶体管。而计算机的体积,也由ENIAC的房间般大小,缩小为衣橱般体积。晶体管快速的开关速度和结构的简化以及在催迪克上引入的浮点运算,让其速度有了极大的提高。不过如果近距离看催迪克的话,常常会以为它还是台电子管计算机,因为当年制造工艺的落后,让催迪克上的晶体管依旧使用了玻璃外壳的真空封装,而不像现在的晶体管那样,采用的是塑料或陶瓷封装。

    而军事领域,依旧是当时计算机服务的主要对象,实际上在催迪克诞生后不久,它就被搬到了波音B-52亚音速远程战略轰炸机(即B-52轰炸机)内,1955年,美国在阿塔拉斯洲际导弹上装备了以晶体管为主要元件的小型计算机,计算机的进步直接催生了军事的发展。

    首台晶体管计算机“催迪克”

    CPU:集成工艺的胜利

    晶体管可以做得很小,那么可不可以将众多晶体管放在一起,配合其他元件,实现特定功能呢?在1958年,美国德州仪器的工程师JackKilby就发明了安装有三个元件的集成电路。不过那么低的集成度,对于计算机来说,实在没太大的意义。直到1964年,集成工艺的提升,让集成电路内已经可以安装更多的晶体管时,IBM360才成为首款使用集成电路的计算机。而这款计算机不仅永远改变了IBM,同样永远的改变了计算机行业,这款让IBM招募了6万名新员工,建立了5座新工厂,研发费用超过了50亿美元的大型机,虽然当时售价高达250万美元,但在短短四周内,就获得千台大订单。而当时美国的银行在线交易系统、登月计划等等,也都是在IBM360支持下完成的。

    IBM360成为首款使用集成电路的计算机

    而随着集成度的提高,一个改变了计算机发展步伐的产品,也正在孕育之中。那就是处理器。世界上第一款商用处理器,也就是Intel4004的诞生,那可是充满戏剧性。话说上世纪六十年代末,日本的一家计算器厂商Busicom要生产一种新的产品,并期望能用到商场的收款机里,当Busicom的工程师带着自己的要求找到Intel时,这家如今的巨无霸,当年还只是刚成立不久、单纯生产存储器的小公司,可Intel毅然承接了这一设计订单。但即便有摩尔这样的天才,初生的Inltel研发过程也十分吃力,直到1971年,4004才研发成功,这已经超过合同期。延迟交货让Busicom极为恼怒,并借此要求Intel降价。违约在先的Intel只能做出妥协但却附加了一个条件:允许Intel自由出售4004芯片。至此Intel公司完成了从单一的存储器制造商向微处理器制造商的转型,如今Busicom已不知在何处,Intel却成了科技业的巨无霸。假若当年intel不提出这一要求,或是及时交货的话,那么如今整个PC市场规则也许就会全部改写。但可以确定的是,PC时代依旧会如约而来。

    世界上第一款商用处理器:Intel4004

 

 

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