造个计算机--实践篇

前面已经基本上把关于造一台简单计算机的整体结构说完了。so,问题来了,原理明白了,怎么实现呢?
从理论上来说,任何能够实现与或非操作的,有大量重复,可以组装起来的元件,都可以构造这样的机器,在前面介绍了丹尼尔.希利斯用积木来实现的,在三体里面介绍冯诺依曼是用秦始皇的无数士兵来做的(三体迷如果不记得这一段,回去面壁去)。
但从实际上来说,因为里面要用到大量重复的元件,那么任何一个元件出点错,都可能会对整体的计算结果造成影响,所以实际能够用在大规模制造的上得,需要考虑不容易出错,大规模组装的话,还要考虑体积、功耗等等,从目前的发展来看,大规模的集成电路是历史选择的方向。当然,如果有一天,生物分子或者是其它材料能够更好实现,也可以考虑用更先进的材料来做(似乎人类的工业文明就是一部材料的发展史。。)。

集成电路-当代科技的承载

最早的计算机是用继电器实现的, 是通过通电以后,里面的金属片被磁力吸引以后进行连通和断电以后放开来实现输入和输出。


继电器

继电器是机械的,弯曲时需要金属弹簧片,经常工作,容易拆断,而且如果有一小片污垢或纸片粘在触点之间,就会失灵。1947年,Hopper在Mark II检查故障时,在一个继电器中找到了一个飞蛾,在日志里面记录了“第一次发现了bug”,这就是bug这个词的由来。

后面紧跟着继电器之后使用的是真空管,真空管是在玻璃瓶内部抽真空,以利于游离电子的流动,比起继电器来,故障率好一些。


真空管

但真正推动现代电路技术大规模发展的,还是晶体管,晶体管是利用半导体实现电流的放大而实现的,从最早的点接触晶体管到硅晶体管,发展的二三十年的历程,晶体管最大的好处是可独立包装或在一个非常小的的区域。

Pentium III, 奔腾3,800M主频, 内部含950万个晶体管
把该芯片拆开以后,在2微米的显微镜下放大图

关于集成电路发展的简史:
1943年,哈佛的Mark II使用了13000个继电器。
在摩尔电气工程学校, J.Presper Eckert和John Mauchly设计了E N I A C(electronic numerical integrator and computer,电子数字积分器和计算机)。它采用了18 000个真空管,于1 9 4 5年末完成。
1947年:威廉·邵克雷(William Shockley)、约翰·巴顿(John Bardeen)和沃特·布拉顿(Walter Brattain)成功地在贝尔实验室制造出第一个晶体管。1956年,获得诺贝尔物理学奖
1953年:第一个采用晶体管的商业化设备投入市场,即助听器。
1961年4月25日:第一个集成电路专利被授予罗伯特·诺伊斯(Robert Noyce)。
1968年7月:英特尔公司成立,英文名Intel为“集成电子设备(integrated electronics)”的缩写。
1978年:英特尔标志性地把英特尔8088微处理器销售给IBM新的个人电脑事业部。

2014年我国集成电路产量1034.83亿块,暂时没有世界一年集成电路的产量,也就是说在人类历史短短的百年之间形成的,我们通过制造了这样一些藏在无数设备内部的芯片,极大的扩展了我们大脑本身的计算能力,有时候我们好好想想,我们社会比起一百年以来,先进性和舒适性体现在哪,其实就是无数的机器在为我们服务。这些芯片的算力已经远远超出了历史这数十亿年来非自然制造的计算能力,这也是我们这个时代在走向外在世界数字化息重构这条道路上的体现,虽然这样的发展,也不知道是好还是坏,但我们确实不可避免的走在这条路上。

(未完,待续)

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