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计算机速成课 第十七集 集成电路&摩尔定律
1. 分立元件
- 1940~1960 年,计算机由独立部件组成,叫「分立元件」,然后不同组件再用线连在一起
- ENIAC:有 1 万 7 千多个真空管,7 万个电阻,1 万个电容器,7 千个二极管,5 百万个手工焊点
- 问题:数字保证
- 概念:想提升性能,就要加更多部件,这导致更多电线,更复杂
2. 晶体管
- 1950 年,晶体管开始商业化,开始用在计算机里
- 晶体管比电子管更小更快更可靠,但是依然是分立元件
- 1959 年,IBM 把 709 计算机从原本的电子管全部换成晶体管,诞生的新机器 IBM 7090,速度快 6 倍,价格只有一半
- 晶体管标志着「计算机 2.0 时代」的到来,但是依然没有解决「数字暴政」的问题
3. 集成电路(IC)
- 概念:把多个组件包在一起,变成一个新的独立组件
- 1958 年,Jack Killby 在德州仪器工作,演示了一个电子部件「电路的所有组件都集中在一起」(使用锗做集成电路,锗很稀少,并且不稳定)
- 1959年,Robert Noyce 的仙童半导体让集成电路变成现实
- Noyce 被公认为现代集成电路之父,开创了电子时代,创造了硅谷
- 使用硅做材料,蕴藏量丰富,占地壳四分之一,也更稳定可靠
- 印刷电路板:简称 PCB,通过蚀刻金属线的方式,把零件连接到一起
- 把 PCB 和 IC 结合使用,可以大幅减少独立组件和电线,但做到相同功能,而且做到更小,更便宜,更可靠
4. 全新的制作工艺:光刻
- 概念:用光把复杂图案印到材料上
- 目的:为了实现更复杂的设计
- 例子:做一个晶体管
- 晶圆:长得像薄饼干一样
- 硅:是半导体,有时导电,有时不导电,可以控制导电时机,是做晶体管的绝佳材料
- 氧化层:作为保护层
- 光刻胶:被光照射后,会变得可溶
- 光掩膜:就像胶片一样,是转移到晶圆上的图案
- 掺杂:一种化学过程,通过高温气体来做,比如磷,渗透进暴露的硅,改变电学性质
- 金属化:放一层薄薄的金属,比如铝或铜
- 双极型晶体管:每个区域的掺杂方式不同
- 微型芯片:在电子设备中那些小长方体,芯片的核心都是一小片IC。
5. 摩尔定律
- 1965年,戈登·摩尔看到了趋势:得益于材料和制造技术的发展,每两年左右,同样大小的空间,能塞进两杯数量的晶体管!
6. Intel
- 1968,罗伯特·诺伊斯 和 戈登·摩尔联手成立了一家公司,结合 Integrated(集成) 和 Electronics (电子)两个词,取名 Intel
- 集成电路的出现,尤其是用来做微处理器,开启了计算机 3.0
- 光刻分辨率
- 从大约一万纳米,大约是人类头发直径的 1/10
- 发展到如的 14 纳米,比血红细胞小 400 倍
7. 设计电路
- 1970年代开始,超大规模集成(VLSI)软件,用来自动生成芯片设计,软件会自动生成电路
- 许多人认为这是计算机 4.0 的开始
- 量子隧穿效应:指当晶体管非常小,电极之间可能只距离几个原子,电子会跳过间隙的现象。
- 但是,如果晶体管漏电,就不是好开关
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