數(shù)字技術(shù)的發(fā)展歷程

數(shù)字技術(shù)的發(fā)展歷程一、前言顯而易見，人類已經(jīng)進(jìn)入了數(shù)字化時代?，F(xiàn)代電子信息系統(tǒng)已經(jīng)處處離不開處理離散信息的數(shù)字電路了。數(shù)字電路具有的高穩(wěn)定性、高可靠性、可編程性、易于設(shè)計、經(jīng)濟(jì)性等眾多優(yōu)點，致使其應(yīng)用越來越廣泛。例如數(shù)字計算機(jī)、先進(jìn)的通信系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)、交通控制系統(tǒng)及洗衣機(jī)、電視機(jī)等，無一不使用電子技術(shù)。數(shù)字技術(shù)發(fā)展的迅速，應(yīng)用的廣泛，令人嘆為觀止。二、數(shù)字技術(shù)與電子技術(shù)數(shù)字技術(shù)（DigitalTechnology），是一項與電子計算機(jī)相伴相生的科學(xué)技術(shù)，它是指借助一定的設(shè)備將各種信息，包括：圖、文、聲、像等，轉(zhuǎn)化為電子計算機(jī)能識別的二進(jìn)制數(shù)字“0”和“1”后進(jìn)行運算、加工、存儲、傳送、傳播、還原的技術(shù)。由于在運算、存儲等環(huán)節(jié)中要借助計算機(jī)對信息進(jìn)行編碼、壓縮、解碼等，因此也稱為數(shù)碼技術(shù)、計算機(jī)數(shù)字技術(shù)等。而數(shù)字技術(shù)的主要應(yīng)用在于電子技術(shù)。電子技術(shù)是根據(jù)\t"/item/%E7%94%B5%E5%AD%90%E6%8A%80%E6%9C%AF/_blank"電子學(xué)的原理，運用電子元器件設(shè)計和制造某種特定功能的電路以解決實際問題的科學(xué),是十九世紀(jì)初到二十世紀(jì)初開始發(fā)展起來的新興技術(shù)，二十世紀(jì)發(fā)展最迅速，應(yīng)用最廣泛，成為近代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個重要標(biāo)志。電子技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用,使人類進(jìn)入了高新技術(shù)時代,電子技術(shù)誕生的歷史雖短,但深入的領(lǐng)域卻是最廣最深,而且成為人類探索宇宙宏光世界和微觀世界的物質(zhì)技術(shù)和基礎(chǔ)。三、數(shù)字技術(shù)的發(fā)展歷史1.理論級—模擬與數(shù)字為了科學(xué)計算的需要，許許多多單一用途的并不斷深化復(fù)雜的模擬計算機(jī)被研制出來。1623年由WilhelmSchickard率先研制出了歐洲第一臺計算設(shè)備，這是一個能進(jìn)行六位以內(nèi)數(shù)加減法，并能通過鈴聲輸出答案的“計算鐘”，使用轉(zhuǎn)動齒輪來進(jìn)行操作。1642年法國數(shù)學(xué)家Pascal在WILLIAMOughtred計算尺的基礎(chǔ)上，將計算尺加以改進(jìn)，能進(jìn)行八位計算。1801年，JosephMarieJacquard對織布機(jī)的設(shè)計進(jìn)行了改進(jìn)，其中他使用了一系列打孔的紙卡片來作為編織復(fù)雜圖案的程序。CharlesBabbage是構(gòu)想和設(shè)計一臺完全可編程計算機(jī)的第一人，但由于技術(shù)條件，經(jīng)費限制，以及無法忍耐對設(shè)計不停的修補，這臺計算機(jī)在他有生之年始終未能問世。約到19世紀(jì)晚期，許多后來被證明對計算機(jī)科學(xué)有著重大意義的技術(shù)相繼出現(xiàn)，包括打孔卡片以及真空管。HermannHollerith設(shè)計了一臺制表用的機(jī)器，就實現(xiàn)了應(yīng)用打孔卡片的大規(guī)模自動數(shù)據(jù)處理。但這些計算機(jī)，都是基于機(jī)械運行方式，盡管有個別產(chǎn)品開始引進(jìn)一些電學(xué)內(nèi)容，卻都是從屬于機(jī)械的，還沒有進(jìn)入計算機(jī)的靈活：邏輯運算領(lǐng)域。當(dāng)人類開始打算用電來表達(dá)信息，儲存數(shù)據(jù)等的時候，數(shù)字時代便降臨了。1854年，英國數(shù)學(xué)家喬治布爾在他的杰出論文《思維規(guī)律的研究》一文中提出數(shù)字式電子系統(tǒng)中的信息用二元數(shù)——比特。比特可以被認(rèn)為是“0”或者“1”兩個常量中的一個，這種只有兩個數(shù)字元素的運算系統(tǒng)被稱為二元系統(tǒng)，這個理論以用二元數(shù)“1”表示真，“0”表示偽的概念為基礎(chǔ)。1937年英國劍橋大學(xué)的圖靈（AlanM.Turing）出版了他的論文，并提出了被后人稱之為'圖靈機(jī)'的數(shù)學(xué)模型。同年由香農(nóng)（ClaudeShannon）發(fā)表了他的偉大論文《對繼電器和開關(guān)電路中的符號分析》，文中首次提及數(shù)字電子技術(shù)的應(yīng)用。他向人們展示了如何使用開關(guān)來實現(xiàn)邏輯和數(shù)學(xué)運算。這標(biāo)志著二進(jìn)制電子電路設(shè)計和邏輯門應(yīng)用的開始。此后，他通過研究范內(nèi)瓦·布什（VannevarBush）的微分模擬器進(jìn)一步鞏固了他的想法。AlmonStrowger，申請了邏輯門電路的設(shè)備專利；NikolaTesla早在1898年就曾申請含有邏輯門的電路設(shè)備；LeeDeForest，于1907年他用真空管代替了繼電器。同時半導(dǎo)體學(xué)的發(fā)展也讓數(shù)字技術(shù)的發(fā)展大步邁進(jìn)。1883年美國發(fā)明家愛迪生發(fā)現(xiàn)了熱電子效應(yīng),隨后在1904年弗萊明利用這個效應(yīng)制成了電子二極管,并證實了電子管具有“閥門”作用,它首先被用于無線電檢波。1906年美國的德福雷斯在弗萊明的二極管中放進(jìn)了第三電極——柵極而發(fā)明了電子三極管,從而建樹了早期電子技術(shù)上最重要的里程碑1948年美國貝爾實驗室的幾位研究人員發(fā)明晶體管。1958年集成電路的第一個樣品見諸于世。。2.器件級—門電路20世紀(jì)初首先得到推廣應(yīng)用的電子器件是真空電子管。它是在抽成真空的玻璃或金屬外殼內(nèi)安置特制的陽極、陰極、柵極和加熱用的燈絲而構(gòu)成的。電子管的發(fā)明引發(fā)了通信技術(shù)的革命，產(chǎn)生了無線電通信和早期的無線電廣播和電視。這就是電子技術(shù)的“電子管時代”。由于電子管在工作時必須用燈絲將陰極加熱到數(shù)千度的高溫以后，陰極才能發(fā)射出電子流，所以這種電子器件不僅體積大、笨重，而且耗電量大，壽命短，可靠性差。因此，各國的科學(xué)家開始致力于尋找性能更為優(yōu)越的電子器件。1947年美國貝爾實驗室的科學(xué)家巴丁(Bardeen)、布萊頓(Brattain)和肖克利(Schockley)發(fā)明了晶體管(即半導(dǎo)體三極管)。由于它是一種固體器件，而且不需要用燈絲加熱，所以不僅體積小、重量輕、耗電省，而且壽命長，可靠性也大為提高。從20世紀(jì)50年代初開始，晶體管在幾乎所有的應(yīng)用領(lǐng)域中逐漸取代了電子管，導(dǎo)致了電子設(shè)備的大規(guī)模更新?lián)Q代。同時，也為電子技術(shù)更廣泛的應(yīng)用提供了有利條件，用晶體管制造的計算機(jī)開始在各種民用領(lǐng)域得到了推廣應(yīng)用。1960年又誕生了新型的金屬-氧化物——半導(dǎo)體場效應(yīng)三極管(MOSFET)，為后來大規(guī)模集成電路的研制奠定了基礎(chǔ)。我們把這一時期叫做電子技術(shù)的“晶體管時代”。而其中邏輯門電路是數(shù)字電路中最基本的邏輯元件。所謂門就是一種開關(guān)，它能按照一定的條件去控制信號的通過或不通過。門電路的輸入和輸出之間存在一定的邏輯關(guān)系(因果關(guān)系)，所以門電路又稱為邏輯門電路。基本邏輯關(guān)系為“與”、“或”、“非”三種。邏輯門電路按其內(nèi)部有源器件的不同可以分為三大類。第一類為雙極型晶體管邏輯門電路，包括TTL、ECL電路和I2L電路等幾種類型；第二類為單極型MOS邏輯門電路，包括NMOS、PMOS、LDMOS、VDMOS、VVMOS、IGT等幾種類型；第三類則是二者的組合BICMOS門電路。常用的是CMOS邏輯門電路。TTL邏輯門電路問世較早，其工藝經(jīng)過不斷改進(jìn)，至今仍為主要的基本邏輯器件之一。隨著CMOS工藝的發(fā)展,TTL的主導(dǎo)地位受到了動搖，有被CMOS器件所取代的趨勢。近年來可編程邏輯器件PLD特別是現(xiàn)場可編程門陣列FPGA的飛速進(jìn)步，使數(shù)字電子技術(shù)開創(chuàng)了新局面，不僅規(guī)模大，而且將硬件與軟件相結(jié)合，使器件的功能更加完善，使用更靈活。3.電路級—集成電路為了滿足許多應(yīng)用領(lǐng)域?qū)﹄娮与娐肺⑿突男枰?，美國德克薩斯儀器公司(TexasInstruments)的科學(xué)家吉爾伯(Kilby)于1959年研制成功了半導(dǎo)體集成電路(integratedcircuit,IC)。由于這種集成電路將為數(shù)眾多的晶體管、電阻和連線組成的電子電路制作在同一塊硅半導(dǎo)體芯片上，所以不僅減小了電子電路的體積，實現(xiàn)了電子電路的微型化，而且還使電路的可靠性大為提高。從20世紀(jì)60年代開始，集成電路大規(guī)模投放市場，并再一次引發(fā)了電子設(shè)備的全面更新?lián)Q代，開創(chuàng)了電子技術(shù)的“集成電路時代”。隨著集成電路制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，集成電路的集成度(每個芯片包含的三極管數(shù)目或者門電路的數(shù)目)不斷提高。在不足10年的時間里，集成電路制造技術(shù)便走完了從小規(guī)模集成(smallscaleintegration,SSI，每個芯片包含10個以內(nèi)邏輯門電路)到中規(guī)模集成(mediumscaleintegration,MSI，每個芯片包含10至1000個邏輯門電路)，再到大規(guī)模集成(largescaleintegration,LSI，每個芯片包含1000至10000個邏輯門電路)和超大規(guī)模集成(verylargescaleintegration,VLSI，每個芯片含10000個以上邏輯門電路)的發(fā)展過程。自20世紀(jì)70年代以來，集成電路基本上遵循著摩爾定律(Moore'sLaw)在發(fā)展進(jìn)步，即每一年半左右集成電路的綜合性能提高一倍，每三年左右集成電路的集成度提高一倍。目前集成電路制造工藝可以加工的最小尺寸已經(jīng)縮小到了65nm，能將1億以上的晶體管制作在一片硅片上。現(xiàn)在已經(jīng)可以把一個復(fù)雜的電子系統(tǒng)(例如數(shù)字計算機(jī))制作在一個硅片上，形成所謂“片上系統(tǒng)”。高集成度、高性能、低價格的大規(guī)模集成電路批量生產(chǎn)并投放市場，極大地拓展了電子技術(shù)的應(yīng)用空間。它不僅促成了信息產(chǎn)業(yè)的大發(fā)展，而且成為改造所有傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的強(qiáng)有力的手段。集成電路的普遍應(yīng)用對工業(yè)生產(chǎn)和國民經(jīng)濟(jì)的影響，不亞于當(dāng)年蒸汽機(jī)、電動機(jī)的普遍應(yīng)用對工業(yè)生產(chǎn)和國民經(jīng)濟(jì)的深遠(yuǎn)影響。因此，也有人把20世紀(jì)中期以來的這一段歷史時期叫做“硅片時代”。二十世紀(jì)八十年代，開始出現(xiàn)特大規(guī)模集成電路，1兆位ULSI的集成度達(dá)到2萬個元件，器件條寬僅為1微米；1992年16兆位的芯片集成度達(dá)到3200萬個元件，條寬減到0.5微米，而后的64兆位芯片，其條寬僅為0.3微米。近年來,可編程邏輯器件PLD特別是現(xiàn)場可編程門陣列FPGA的飛速進(jìn)步，使數(shù)字電子技術(shù)開創(chuàng)了新局面，不僅規(guī)模大，而且將硬件與軟件相結(jié)合，使器件的功能更加完善，使用更靈活。然而集成度的提高不可能是無限的。在半導(dǎo)體管的尺寸縮小到一定程度以后，再想縮小尺寸不僅加工精度難以達(dá)到，生產(chǎn)成本大大提高，而且器件的工作機(jī)理也將發(fā)生變化而無法正常工作?；谶@種推測，從20世紀(jì)70年代起，許多科學(xué)工作者就已經(jīng)開始潛心研究和尋找比硅片集成度更高、性能更好的新型器件了。4.系統(tǒng)級—功能系統(tǒng)數(shù)字電路具有廣闊的發(fā)展前景。基于PC機(jī)的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點，將有越來越多的廠家采用PC機(jī)作為前端機(jī)，來處理人機(jī)界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問題。PC機(jī)所具有的友好的人機(jī)界面，將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)。遠(yuǎn)程通訊，遠(yuǎn)程診斷和維修將更加普，并向高速化和高精度化發(fā)展。隨著人工智能在計算機(jī)領(lǐng)域的不斷滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高?，F(xiàn)在正在研究開發(fā)第五代計算機(jī)(人工智能計算機(jī)),他們不依靠程序工作,而是依靠人工智能工作。特別是從70年代微型計算機(jī)以來,由于價廉、方便、可靠、小巧,大大加快了電