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跨越:從電子管到集成電路

2015-01-26 13:46夏雨
大眾科學(xué) 2014年12期
關(guān)鍵詞:電子計(jì)算機(jī)問世晶體管

夏雨

電腦的學(xué)名為電子計(jì)算機(jī)(Computer),如果以1946年做為“計(jì)算機(jī)元年”,那么之前出現(xiàn)的計(jì)算設(shè)備,不論是電力帶動(dòng)的機(jī)械計(jì)算機(jī),還是電子管計(jì)算機(jī),都只能稱為電動(dòng)計(jì)算器。直到1945年馮·諾依曼提出《存儲(chǔ)程序通用電子計(jì)算機(jī)方案》(EDVAC)后,才確定了計(jì)算機(jī)的定義--計(jì)算機(jī)是一種通過特定語言的編程,完成數(shù)字運(yùn)算、邏輯判斷、再現(xiàn)人類的思維活動(dòng)和記憶存儲(chǔ)的設(shè)備。

世界首臺(tái)電子計(jì)算機(jī)誕生

一般公認(rèn),世界第一臺(tái)真正意義上的電子計(jì)算機(jī)是ENIAC(電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)),它是第一代電子管計(jì)算機(jī)的代表。

1943年,二戰(zhàn)硝煙密布,為盡快結(jié)束戰(zhàn)爭(zhēng),美國(guó)陸軍著手研發(fā)新式火炮,賓夕法尼亞大學(xué)受命研制電子化通用計(jì)算機(jī)ENIAC(埃尼阿克)來計(jì)算炮彈及火箭、導(dǎo)彈武器的彈道軌跡。經(jīng)過兩年多的艱苦努力,1946年2月14日,“埃尼阿克”終于在費(fèi)城問世--這個(gè)耗資約50萬美元制造的龐然大物,重30噸,占地170平方米,它的體內(nèi)有17468個(gè)電子三極管、7200個(gè)電子二極管、70000個(gè)電阻,10000個(gè)電容器、1500個(gè)繼電器、6000多個(gè)開關(guān)。

“埃尼阿克”每秒鐘可做5000次加法、500次乘法或50次除法,比人工計(jì)算快20萬倍。它一天完成的計(jì)算量,大約相當(dāng)于一個(gè)人用手搖計(jì)算機(jī)操作40年。

“計(jì)算機(jī)之父”馮·諾依曼

但與高速相對(duì)應(yīng)的,是高耗電量。埃尼阿克的耗電高達(dá)150千瓦,據(jù)說它每次開機(jī),整個(gè)費(fèi)城西區(qū)的電燈都為之黯然失色,而且它在運(yùn)行時(shí),幾乎每15分鐘就會(huì)燒掉一個(gè)電子管,因此在使用上極不方便。

此外,埃尼阿克還有兩大缺點(diǎn):沒有內(nèi)存儲(chǔ)器;運(yùn)算時(shí)需要由人工將大量運(yùn)算部件搭建起來,每算一題就要重搭一次。有的題計(jì)算只要1秒鐘,準(zhǔn)備工作卻要花幾十分鐘。

為解決這些問題,埃尼阿克的理論設(shè)計(jì)人之一、匈牙利裔美國(guó)數(shù)學(xué)家馮·諾依曼提出了著名的“馮·諾依曼結(jié)構(gòu)”--計(jì)算機(jī)應(yīng)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸出和輸入設(shè)備5個(gè)部分組成,這一結(jié)構(gòu)至今仍為計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者所遵循;他還明確提出計(jì)算機(jī)的二大設(shè)計(jì)思想--二進(jìn)制和存儲(chǔ)程序,為計(jì)算機(jī)的發(fā)展樹立了一座里程碑,同時(shí)也向世界宣告了電子計(jì)算機(jī)時(shí)代的開始。馮·諾依曼,也因此成為當(dāng)之無愧的“計(jì)算機(jī)之父”。

埃尼阿克問世后不久,1953年4月7日,IBM公司正式對(duì)外發(fā)布自己的第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī) IBM701。同年8月,又發(fā)布了應(yīng)用于會(huì)計(jì)行業(yè)的IBM702計(jì)算機(jī)。IBM還推出了IBM650,以低廉的價(jià)格和優(yōu)異性能在市場(chǎng)中獲得極大成功,至此,IBM確立了其行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者的地位。

晶體管計(jì)算機(jī)問世

以埃尼阿克為代表的第一代電子管計(jì)算機(jī),體積巨大、能耗高、故障率高、制造成本高昂,這些都制約著其應(yīng)用和普及。直到1947年12月,美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的肖克利、布拉頓和巴丁使用一些金箔、半導(dǎo)體材料和一個(gè)彎曲的別針發(fā)明出晶體管,才開辟了電子時(shí)代新紀(jì)元。肖克利、布拉頓和巴丁也因此獲得1956年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1954年,美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室成功研制出第一臺(tái)使用晶體管線路的計(jì)算機(jī)TRADIC(催迪克)。它的問世,標(biāo)志著晶體管計(jì)算機(jī)時(shí)代的到來。

晶體管計(jì)算機(jī)的主存儲(chǔ)器是磁芯存儲(chǔ)器,使用磁盤作為輔助存儲(chǔ)器。與電子管計(jì)算機(jī)相比,晶體管計(jì)算機(jī)重量?jī)H為原來的百分之一,體積與功耗減少到原來的三百分之一。晶體管計(jì)算機(jī)的軟件開始使用面向過程的程序設(shè)計(jì)語言,即以過程為中心,完成最終處理結(jié)果的編程思路。當(dāng)時(shí),晶體管計(jì)算機(jī)使用算法語言、公式翻譯等編程語言。

“克雷機(jī)”與超級(jí)計(jì)算機(jī)

1960年,僅僅31歲的西蒙·克雷被CDC公司任命為總設(shè)計(jì)師,受命為美國(guó)原子能委員會(huì)研發(fā)超級(jí)計(jì)算機(jī)。經(jīng)過3年的潛心開發(fā),1963年,CDC6600問世。這臺(tái)安裝了35萬只晶體管的超級(jí)計(jì)算機(jī)成為當(dāng)時(shí)世界上運(yùn)算速度最快的計(jì)算機(jī)。

1972年,克雷從CDC公司辭職,創(chuàng)立“克雷研究公司”。3年后,“克雷1號(hào)”誕生,這臺(tái)重達(dá)5噸、安裝了35萬塊集成電路的超級(jí)計(jì)算機(jī),第一次實(shí)現(xiàn)了每秒一億次的運(yùn)算速度,繼CDC6600之后成為運(yùn)算速度最快的“計(jì)算機(jī)之王”。

超級(jí)計(jì)算機(jī)能執(zhí)行個(gè)人計(jì)算機(jī)無法處理的大資料量與高速運(yùn)算,主要用于承擔(dān)重大的科學(xué)研究、國(guó)防尖端技術(shù)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的大型計(jì)算及數(shù)據(jù)處理,如天氣預(yù)報(bào)、衛(wèi)星照片處理、原子核物的探索、洲際導(dǎo)彈和航天技能研究等。發(fā)展到今天,超級(jí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度大都可以達(dá)到每秒一太(Trillion,萬億)次以上,其計(jì)算速度成為世界各國(guó)在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展對(duì)比的參數(shù)之一,標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家的科學(xué)技術(shù)和工業(yè)發(fā)展的程度。

電子器件微型化新紀(jì)元

說到計(jì)算機(jī)的體積,如果說第一代電子管計(jì)算機(jī)是三間房的話,那么第二代晶體管計(jì)算機(jī)就成了二張桌,但人們希望的卻是一臺(tái)抽屜大小的計(jì)算機(jī)。

于是,科學(xué)家們開始采用小型化思路,將晶體管體積縮小到米粒一樣大小,然而這種小型化的做法不是無限的,當(dāng)它到達(dá)一定程度后,晶體管功能就會(huì)逐漸消失。計(jì)算機(jī)的發(fā)展也由此進(jìn)入了一個(gè)瓶頸。

而與此同時(shí),科技的不斷發(fā)展以及商業(yè)的個(gè)人化,對(duì)電子設(shè)備的小型化、低功耗提出了更高需求,由此催生了新興電子元件--集成電路。endprint

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