基于二進(jìn)制的計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程

1.3.2基于二進(jìn)制的電子計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程-----第五組組員：吳昊楊昊成胡明哲樸盈盈祁珂盈李明陽(yáng)

1.愛迪生效應(yīng)2.二極管3.三極管4.當(dāng)今世界上最重要的電子元器件“晶體管”二.摩爾定律及電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展方向一.電子計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)元件的發(fā)展歷程1.摩爾定律的提出2.不斷的爭(zhēng)議3.電子計(jì)算機(jī)未來(lái)的發(fā)展方向一.電子計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)元件的發(fā)展歷程1.愛迪生效應(yīng)1883年，美國(guó)發(fā)明大王托馬斯·愛迪生（ThomasAlvaEdison，1847年2月11日—1931年10月18日）正在為尋找電燈泡最佳燈絲材料，做過(guò)一個(gè)小小的實(shí)驗(yàn)。他在真空電燈泡內(nèi)部碳絲附近安裝了一小截銅絲，希望銅絲能阻止碳絲蒸發(fā)。雖然失敗了，但他無(wú)意中發(fā)現(xiàn)，沒(méi)有連接在電路里的銅絲，卻意外地用電流表檢測(cè)出了金屬片中的微弱電流。這在當(dāng)時(shí)是匪夷所思的，難不成電流從空中飛渡了嗎？他進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)金屬片與電源的正極相連時(shí)才會(huì)產(chǎn)生電流，反之則不會(huì)。愛迪生不明白這是什么原理，也沒(méi)想過(guò)可以怎樣應(yīng)用，但依然申請(qǐng)了專利，這種現(xiàn)象因而被稱為愛迪生效應(yīng)（Edisoneffect）。2.二極管1904年，弗萊明利用愛迪生效應(yīng)，發(fā)明了真空二極管。真空二極管，顧名思義就是一個(gè)抽成真空的玻璃管。結(jié)構(gòu)和愛迪生的燈泡類似，內(nèi)部封裝兩個(gè)電極，一個(gè)用燈絲加熱，一個(gè)是冷的金屬片。熱的電極稱為陰極（Cathode），冷的稱為陽(yáng)極（Anode）。當(dāng)陰極與電源負(fù)極相連、陽(yáng)極與電源正極相連時(shí)，電子從燈絲跑到金屬片，二極管導(dǎo)通，表現(xiàn)為沒(méi)有電阻的導(dǎo)線；反之，二極管不通，表現(xiàn)為一個(gè)沒(méi)有合上的開關(guān)。所以二極管起到的作用就是單向閥門，也叫做“弗萊明閥門”。由于這樣單向?qū)ǖ奶匦?，二極管正好可以用作無(wú)線電的檢波器。3.三極管1906年，美國(guó)發(fā)明家李·德福雷斯特（LeedeForest，1873年—1961年）突然間腦洞大開，在二極管的燈絲和金屬片陰陽(yáng)兩極之間增加一個(gè)電極——一根波浪形的金屬絲（后來(lái)金屬絲被改成金屬網(wǎng)），稱為柵極（Grid），加上原來(lái)的陰極、陽(yáng)極，真空玻璃管內(nèi)就有了三極。就這樣他發(fā)明了電子三極管。4.當(dāng)今世界上最重要的電子元器件“晶體管”1947年12月23日，在貝爾實(shí)驗(yàn)室，一塊三角形塑料片、一條金箔、一個(gè)回形針制成的彈簧和一片放在銅板上方的薄鍺半導(dǎo)體材料被組合在一起，當(dāng)今世界上最重要的電子元器件“晶體管”就這樣誕生了。這是人類歷史非常值得銘記的一天，從這一天開始，電子元器件才能越來(lái)越小越穩(wěn)定，具備了快速發(fā)展的基礎(chǔ)。早期計(jì)算機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生0和1電路邏輯的元器件是真空管，體積大發(fā)熱嚴(yán)重的同時(shí)壽命還短，所以它很快就被體積更小也更穩(wěn)定晶體管所取代。二.摩爾定律及電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展方向1.摩爾定律的提出1.摩爾定律的提出

1965年，作為后來(lái)英特爾公司聯(lián)合創(chuàng)始人之一的戈登·摩爾，在當(dāng)時(shí)老牌專業(yè)雜志《Electronics》上，發(fā)表了一篇主題為“讓集成電路填滿更多的元件”的評(píng)論性文章。在文章中，戈登·摩爾根據(jù)前幾年自己身處行業(yè)發(fā)展規(guī)律的觀察，提出了一個(gè)對(duì)未來(lái)半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的著名預(yù)測(cè)：當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，單位面積芯片上可容納的晶體管數(shù)量，約每隔18-24個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。從摩爾定律的歷史產(chǎn)生背景我們不難知道，它不是天然存在的自然規(guī)律，也不是準(zhǔn)確無(wú)誤的物理法則，僅僅只是對(duì)于趨勢(shì)的經(jīng)驗(yàn)推測(cè)。但就這么一個(gè)預(yù)測(cè)，卻在后來(lái)奇跡般的指導(dǎo)了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)整整五十多年的發(fā)展，甚至成為計(jì)算機(jī)行業(yè)進(jìn)步背后的金科玉律，深刻影響著硬件產(chǎn)品的更新迭代。無(wú)論是英特爾還是三星以及臺(tái)積電，在半導(dǎo)體工藝的研發(fā)上，前幾十年來(lái)一直都是依據(jù)摩爾定律的規(guī)律來(lái)設(shè)定的研發(fā)目標(biāo)。2.不斷的爭(zhēng)議

摩爾定律預(yù)言了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)50年的發(fā)展。摩爾預(yù)言了一個(gè)光輝的未來(lái)，改變了世界。這樣高速的增長(zhǎng)在其他產(chǎn)業(yè)是見不到的。但是大名鼎鼎的英偉達(dá)創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官黃仁勛曾公開表示2.不斷的爭(zhēng)議

但是前些日子，有這樣一條新聞。2.不斷的爭(zhēng)議

有人說(shuō)，摩爾定律已經(jīng)成為一個(gè)技術(shù)問(wèn)題，還有人說(shuō)遵循摩爾定律已經(jīng)沒(méi)有意義，更有人說(shuō)，摩爾定律已死。出現(xiàn)這些聲音的原因，是因?yàn)榘凑漳柖傻念A(yù)測(cè)，隨著時(shí)間的推移，芯片上所能集成的晶體管數(shù)量會(huì)越來(lái)越多，性能會(huì)以每?jī)赡曜笥曳槐兜乃俣仍鲩L(zhǎng)，但事實(shí)并非如此。我們都知道現(xiàn)在的電子計(jì)算機(jī)能做到的所有功能，本質(zhì)上都是通過(guò)0,1組成的二進(jìn)制數(shù)來(lái)進(jìn)行存儲(chǔ)和運(yùn)算實(shí)現(xiàn)的。如今隨著半導(dǎo)體技術(shù)和集成電路的發(fā)展，晶體管的尺寸越來(lái)越小，在同樣的面積下，已經(jīng)能夠容納超過(guò)幾十億個(gè)晶體管。但如果想繼續(xù)沿著摩爾定律的進(jìn)程再進(jìn)一步縮小晶體管的尺寸時(shí)，更艱難的問(wèn)題也隨之而來(lái)?，F(xiàn)在的晶體管制程已經(jīng)小到了10nm和7nm，當(dāng)它的尺寸再縮小到5nm、3nm甚至1nm時(shí)，就有一個(gè)很嚴(yán)重的問(wèn)題阻礙了現(xiàn)有的晶體管技術(shù)——量子隧穿！什么事量子隧穿？3.電子計(jì)算機(jī)未來(lái)的發(fā)展方向

首先，我們知道，在原子尺寸的領(lǐng)域里，經(jīng)典物理學(xué)就已經(jīng)失效了，人們必須要接受看起來(lái)非常玄乎的量子力學(xué)。3.電子計(jì)算機(jī)未來(lái)的發(fā)展方向

量子隧穿效應(yīng)同樣很違背人類的直覺(jué)。舉個(gè)例子，正常情況下，一個(gè)人不借助梯子是無(wú)法跨越5米的高墻的，無(wú)論這個(gè)墻怎么變薄，高度在那里擺著，沒(méi)有工具的話，人就無(wú)法跨過(guò)去。但是在量子領(lǐng)域，如果這個(gè)墻變的和人的厚度差不多的時(shí)候，人就有一定幾率閃到墻對(duì)面去。同樣的，原本需要施加電壓才能導(dǎo)通的晶體管，尺寸縮小到原子級(jí)別后，電子的位置就變成了概率出現(xiàn)，在沒(méi)有通電的情況下也能發(fā)生轉(zhuǎn)移，這就是量子隧穿效應(yīng)。3.電子計(jì)算機(jī)未來(lái)的發(fā)展方向

3.電子計(jì)算機(jī)未來(lái)的發(fā)展方向

同樣的，原本需要施加電壓才能導(dǎo)通的晶體管，尺寸縮小到原子級(jí)別后，電子的位置就變成了概率出現(xiàn)，在沒(méi)有通電的情況下也能發(fā)生轉(zhuǎn)移，這就是量子隧穿效應(yīng)。這時(shí)候，因?yàn)榫w管提供0,1邏輯的準(zhǔn)確率下降，造成的運(yùn)算準(zhǔn)確率也隨之下降。不僅如此，晶體管尺寸越小，它的漏電現(xiàn)象也越嚴(yán)重，甚至線路之間離得太近也會(huì)導(dǎo)致寄生電容暴漲。這些都是不能夠用現(xiàn)有工藝嚴(yán)格控制的意外的產(chǎn)物。所以講到這里，大家可能就明白了。嚴(yán)格以兩年的時(shí)間晶體管數(shù)量增加一倍并且性能提升一倍的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)，即使晶體管尺寸能做到那么小，有那么多不可靠性，誰(shuí)又敢用呢？至于摩爾定律失效之后，是不是以后的電子產(chǎn)品性能提升會(huì)越來(lái)越慢甚至停滯不前？那倒不一定，像原先一樣靠堆更多的晶體管在芯片上面來(lái)提升性能的路子走不通了，還可以換條路走。比如將晶體管的導(dǎo)電溝道換成石墨烯等更有利于電子遷移的材料，這樣晶體管切換0,1的邏輯會(huì)變快，運(yùn)行速度照樣能提高?；蛘咧匦略O(shè)計(jì)新的晶體管架構(gòu)，使它能夠處理0,1邏輯功能變多，這樣原先需要兩個(gè)晶體管才能實(shí)現(xiàn)邏輯功能，現(xiàn)在只要一個(gè)晶體管，也同樣能提高芯片的性能。甚至改變柵極材料也是一種方法。摩爾定律從誕生到現(xiàn)在也已經(jīng)過(guò)了五十四年，其實(shí)早在20多年前，就已經(jīng)有人提到過(guò)定律終將失效，但在這些年里，對(duì)于它是否失效的爭(zhēng)論從未停息。3.電子計(jì)算機(jī)未來(lái)的發(fā)展方向