編程是什麼——集成電路(IC)的出現

2020-12-10 科技貓cat

集成電路,英文為Integrated Circuit,縮寫為IC;顧名思義,就是把一定數量的常用電子元件,如電阻、電容、電晶體等,以及這些元件之間的連線,通過半導體工藝集成在一起的具有特定功能的電路。

為什麼會產生集成電路?我們知道任何發明創造背後都是有驅動力的,而驅動力往往來源於問題。那麼集成電路產生之前的問題是什麼呢?我們看一下1946年在美國誕生的世界上第一臺電子計算機,它是一個佔地150平方米、重達30噸的龐然大物,裡面的電路使用了17468隻電子管、7200隻電阻、10000隻電容、50萬條線,耗電量150千瓦 。

顯然,佔用面積大、無法移動是它最直觀和突出的問題;如果能把這些電子元件和連線集成在一小塊載體上該有多好!我們相信,有很多人思考過這個問題,也提出過各種想法。

典型的如英國雷達研究所的科學家達默,他在1952年的一次會議上提出:可以把電子線路中的分立元器件,集中製作在一塊半導體晶片上,一小塊晶片就是一個完整電路,這樣一來,電子線路的體積就可大大縮小,可靠性大幅提高。

這就是初期集成電路的構想,電晶體的發明使這種想法成為了可能,1947年在美國貝爾實驗室製造出來了第一個電晶體,而在此之前要實現電流放大功能只能依靠體積大、耗電量大、結構脆弱的電子管。

電晶體具有電子管的主要功能,並且克服了電子管的上述缺點,因此在電晶體發明後,很快就出現了基於半導體的集成電路的構想,也就很快發明出來了集成電路。傑克·基爾比(Jack Kilby)和羅伯特·諾伊斯(Robert Noyce)在1958~1959期間分別發明了鍺集成電路和矽集成電路。

矽晶圓,上面都是印刷出來的集成電路

集成電路的出現,使得計算機再一次更新換代,使得計算機變得更加的小,更加便宜。

1964年4月7日,IBM公司研製成功世界上第一個採用集成電路的通用計算機IBM 360系統,它兼顧了科學計算和事務處理兩方面的應用。

IBM 360系列計算機是最早使用集成電路的通用計算機系列,它開創了民用計算機使用集成電路的先例,計算機從此進入了集成電路時代。與第二代計算機(電晶體計算機)相比,它體積更小、價格更低、可靠性更高、計算速度更快。IBM 360成為第三代計算機(集成電路計算機)的裡程碑。

我們回顧一下電子計算機的發展史:

第1代:電子管計算機(1946—1958年)

ENIAC,世界上第一臺電子計算機,佔地170平方米,重達30噸,耗電功率約150千瓦每時,每秒鐘可進行5000次運算,耗資高達48萬美元。

第2代:電晶體計算機(1958—1964年)

貝爾實驗室研製出世界上第一臺全電晶體計算機TRADIC,它裝有800隻電晶體,只有100瓦功率,佔地也僅有3立方英尺。主機採用電晶體等半導體器件,以磁鼓和磁碟為輔助存儲器,採用算法語言(高級語言)編程,並開始出現作業系統。由於採用電晶體代替電子管,所以很輕,且運算速度比較快,達到每秒幾十萬次

第3代:集成電路計算機(1964—1970年)

集成電路計算機,速度更快(一般為每秒數百萬次至數千萬次),而且可靠性有了顯著提高,價格進一步下降,產品走向了通用化、系列化和標準化等。應用領域開始進入文字處理和圖形圖像處理領域。

可以看出,從第一代計算機到第三代計算機的發展,計算機是往著小型化、輕量化、低價格的方向發展。計算機從佔地兩三個教室,到一個小箱子就能裝下,這樣的改變發生在不到30年的時間,我們能夠想像隨著計算機和科學技術的發展,計算機會變得更小,會變得更加智能化,價格會更低,我們的生活因此會變得更加精彩,也許這將是我們的未來。

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