集成電路:從電子管、電晶體到CPU

2020-11-25 電子產品世界

　　進入20世紀以後，各個科學領域和技術部門的計算需求堆積如山，尤其是二戰的爆發，各國進入生死存亡的關頭，軍事需求極大地催生了各種技術的應用，在這種情況下，對高速計算工具有了更多的需求。儘管依靠計算工人解決了最緊急的需求，但在效率和運算量上卻存在天然的缺陷。這也使計算機確定了從電子管到電晶體，從專用設備到全社會普及的發展之路。電子管：二戰帶來的抉擇

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/246056.htm

　　在教科書中，ENIAC就是電子計算機的起源，而電子管也就在那一刻，確定了其在計算機發展史中的地位。其實，在電子計算機的襁褓期，機電結構還是純電子計算機，繼電器還是電子管?計算機的發展也面臨著迷茫中的抉擇。

　　1943年，當二戰激戰正酣時，美軍迫切需要高速計算工具，以計算炮彈的彈道。在迅速獲得15萬美元的預算後，速度成為第一訴求，繼電器在收到信號後因為有百分之一秒延時而拖慢計算速度註定要被拋棄。而真空三極體的誕生，讓計算機可以快速的通過控制柵極電流，來開啟或關斷電子管兩端的電流，獲得比繼電器速度快成千上萬倍的開關速度。這對於提升當時計算機的速度大有好處。正因為這樣的優勢，讓電子管擊敗繼電器，成為早期計算機的核心運算部件。

　　在這樣的要求下，擁有17468個電子三極體、7200個電子二極體、70000個電阻，10000個電容器、1500個繼電器、6000多個開關、重達30噸的ENIAC在三年後，也就是1946年2月14日終於誕生，而讓它姍姍來遲的，還是預算，要知道ENIAC最終花了軍方48萬美元。其每秒執行5000次加法或400次乘法的計算能力在今天看起來微不足道。不過別忘了，之前的Z3計算機每秒只能進行3~4次加法計算，5秒才能計算一次乘法。電子管讓計算機有了千倍的速度提升。這也確定了ENIAC的歷史地位，並確定了電子管在計算機發展中的重要性。

　　第一臺電子計算機ENIAC的歷史照片

　　電晶體計算機：縮小為衣櫥大小

　　ENIAC的誕生，讓科學家們享受了計算的暢快，但卻必須痛苦地使用它。不僅因為它貴，更因為電子管實在太耗電，零件的壽命也太短，據說ENIAC每次一開機，整個費城西區的電燈都為之黯然失色。同時接近18000個電子管，幾乎每15分鐘就可能燒掉一個，但操作人員可能要花15分鐘以上的時間才能找出壞掉的管子，使用上極不方便。曾有人調侃道：「只要那部機器可以連續運轉五天，而沒有一隻真空管燒掉，發明人就要額手稱慶了」。

　　因此在電晶體技術投入實用後，計算機的計算元件也迅速的電子管向電晶體進化，1954年，美國貝爾實驗室研製成功第一臺使用電晶體線路的計算機，取名「催迪克」(TRADIC)，裝有800個電晶體。而計算機的體積，也由ENIAC的房間般大小，縮小為衣櫥般體積。電晶體快速的開關速度和結構的簡化以及在催迪克上引入的浮點運算，讓其速度有了極大的提高。不過如果近距離看催迪克的話，常常會以為它還是臺電子管計算機，因為當年製造工藝的落後，讓催迪克上的電晶體依舊使用了玻璃外殼的真空封裝，而不像現在的電晶體那樣，採用的是塑料或陶瓷封裝。

　　而軍事領域，依舊是當時計算機服務的主要對象，實際上在催迪克誕生後不久，它就被搬到了波音B-52亞音速遠程戰略轟炸機(即B-52轟炸機)內，1955年，美國在阿塔拉斯洲際飛彈上裝備了以電晶體為主要元件的小型計算機，計算機的進步直接催生了軍事的發展。

　　首臺電晶體計算機「催迪克」

　　CPU：集成工藝的勝利

　　電晶體可以做得很小，那麼可不可以將眾多電晶體放在一起，配合其他元件，實現特定功能呢?在1958年，美國德州儀器的工程師JackKilby就發明了安裝有三個元件的集成電路。不過那麼低的集成度，對於計算機來說，實在沒太大的意義。直到1964年，集成工藝的提升，讓集成電路內已經可以安裝更多的電晶體時，IBM360才成為首款使用集成電路的計算機。而這款計算機不僅永遠改變了IBM，同樣永遠的改變了計算機行業，這款讓IBM招募了6萬名新員工，建立了5座新工廠，研發費用超過了50億美元的大型機，雖然當時售價高達250萬美元，但在短短四周內，就獲得千臺大訂單。而當時美國的銀行在線交易系統、登月計劃等等，也都是在IBM360支持下完成的。

　　IBM360成為首款使用集成電路的計算機

　　而隨著集成度的提高，一個改變了計算機發展步伐的產品，也正在孕育之中。那就是處理器。世界上第一款商用處理器，也就是Intel4004的誕生，那可是充滿戲劇性。話說上世紀六十年代末，日本的一家計算器廠商Busicom要生產一種新的產品，並期望能用到商場的收款機裡，當Busicom的工程師帶著自己的要求找到Intel時，這家如今的巨無霸，當年還只是剛成立不久、單純生產存儲器的小公司，可Intel毅然承接了這一設計訂單。但即便有摩爾這樣的天才，初生的Inltel研發過程也十分吃力，直到1971年，4004才研發成功，這已經超過合同期。延遲交貨讓Busicom極為惱怒，並藉此要求Intel降價。違約在先的Intel只能做出妥協但卻附加了一個條件：允許Intel自由出售4004晶片。至此Intel公司完成了從單一的存儲器製造商向微處理器製造商的轉型，如今Busicom已不知在何處，Intel卻成了科技業的巨無霸。假若當年intel不提出這一要求，或是及時交貨的話，那麼如今整個PC市場規則也許就會全部改寫。但可以確定的是，PC時代依舊會如約而來。

　　世界上第一款商用處理器：Intel4004

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