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电子时代丨CPU发展史(从真空管、晶体管、集成电路)

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供稿:中国工控网 2016/6/22 11:46:37

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  • 关键词: CPU发展 CPU发展史
  • 摘要:CPU的发展经历了真空管、晶体管、IC和LSI(Large Scale Integration)、VLSI几个时代。总体来说,CPU性能的不断提升得益于人类对于驾驭电子能力的不断进步

驾驭电子:CPU发展史

从最初的电子计算机到现在仅仅用了60年的时间,到底是是什么让性能的提升如此显著?功劳最大的当然要数从真空管到晶体管再到VLSI的电路技术的进步,下面我们就要介绍,这令人惊叹的电子时代!

  第一代:真空管(1957年以前)

  德福雷斯特与真空三极管

  20世纪初,弗莱明发明了二极管。没过几年,德福雷斯特在对二极管的研究基础上,发明了真空三极管。真空三极管(triode)拥有用电子讯号控制“开关”的性能,极适合用于高速执行数字型的逻辑及算数运算,我们可以用真空三极管来控制电路的导通与断开,继而形成逻辑电路。具备了理论基础和物质基础,ENIAC的诞生也就是顺理成章的啦。

  真空管是个抽成真空的玻璃管,阴极产生电子飞向施加了高电压的阳极,并利用阴极和阳极之间设置的细网格状电极控制电子的流量。电子管的开闭切换速度为微秒级。但是,真空管的阳极需要施加数百伏的高电压,因此耗电量巨大,而且寿命也不是特别长。不过在当时,相较于之前的机械开关的什么巴比奇差分机,人们已经对这个小东西构成的计算机十分的「依赖」啦。

  第二代:晶体管(1958 - 1963年)

  第一个晶体管

  随着驾驭电子能力的进一步增强,同时半导体技术也突飞猛进,科学家终于可以在固态电子方面大施拳脚了。在极富盛名的贝尔实验室,三位伟大的科学家萧克莱(William Shockley)、约翰�巴顿(John Bardeen)和沃特�布拉顿(Walter Brattain)在1947年发明了晶体管(Bipolar transistor)。相较于真空三极管,晶体管在体积、寿命、制作工艺上都有极大的优势。由晶体管构成的计算机更小、更省电,同时运算速度也大幅度的提高。并且因为半导体材料相较于气体来说,科学家更容易控制。随着科学家对半导体研究的进一步深入,纯度和工艺越来越好,晶体管的寿命与稳定性也越来越受到一些芯片厂商的青睐。

  第三代:集成电路(IC、LSI)(1964 - 1969年)

  世界第一个集成电路

  之前的电路还是分立元件构成,也就是在PCB(印刷电路板)把三极管、二极管焊接起来构成芯片。IC的发明却依赖于来自中国的神秘力量,德州扒鸡公司(大雾),其实是德州仪器(TI)公司的杰克�基尔比(Jack Kilby)啦,他在锗半导体芯片上生成了三极管等多个元件,并在元件之间用细金属连线连接,从而形成了集成电路。

  优势是明显的!之前由分立元件构成的2500px²印刷电路板,在集成电路上只需要1mm²的芯片就可以实现相同的功能。至此,LSI将芯片技术领进了一个新的时代,下面的VLSI与LSI的界限并没有那么清晰,只是VLSI作为商家的噱头来说,更加能吸引消费者吧!

  指尖上的IC

  第四代:大规模集成电路(1970年以后)

  固态电子的不断发展,从晶体管的基础上,人们又继续研究出了FET(场效应晶体管,Field-Effect Transistor),与传统的晶体管相比,控制方式由电流变成了电压,在FET的栅极上加上合适的电压,就可以控制电流。在FET中,一种叫做MOSFET(金属-氧化物半导体场效应晶体管,Metal-Oxide-Semiconductor FET),MOSFET构造简单,在一块IC上的集成密度比三极管还要高,终于,经过四代的发展,「旧时王谢堂前燕」的IC通过VLSI工艺,可以飞入寻常百姓家了!

  Intel4004

  1971年,Intel4004这个划时代产品出现,它使用MOSFET集成电路技术,采用了10μm工艺,集成了2300个MOSFET,别看他这么小,和祖宗ENIAC的计算能力不相上下。25年,ENIAC从30吨越跑越小,最后摇身一变进到3mm*4mm的硅芯片中,功率甚至只有不到1W!

审核编辑(王雪)
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