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从真空管、晶体管到集成电路:一文理解CPU成长简史_晶体管_芯片

乖囧猫 2025-01-18 11:23:24 0

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第一代:真空管(1957年以前)

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根本上,发明了真空三极管。
真空三极管(triode)拥有用电子讯号掌握“开关”的性能,极适宜用于高速实行数字型的逻辑及算数运算,我们可以用真空三极管来掌握电路的导通与断开,继而形成逻辑电路。
具备了理论根本和物质根本,ENIAC的出身也便是顺理成章的了。

德福雷斯特与真空三极管

从真空管、晶体管到集成电路:一文理解CPU成长简史_晶体管_芯片 科学

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掌握电子的流量。
电子管的开闭切换速率为微秒级。
但是,真空管的阳极须要施加数百伏的高电压,因此耗电量巨大,而且寿命也不是特殊长。
不过在当时,相较于之前的机器开关的什么巴比奇差分机,人们已经对这个鄙吝械构成的打算机十分地“依赖”了。

第二代:晶体管(1958 - 1963年)

随着驾驭电子能力的进一步增强,同时半导体技能也突飞年夜进,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)。

第一个晶体管

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上风。
由晶体管构成的打算机更小、更省电,同时运算速率也大幅度提高。
并且由于半导体材料相较于气体来说,科学家更随意马虎掌握。
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)

之前的电路还是分立元件构成,也便是在PCB(印刷电路板)把三极管、二极管焊接起来构成芯片。
IC的发明还要归功于德州仪器(TI)公司的杰克·基尔比(Jack Kilby),他在锗半导体芯片上天生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。

指尖上的IC

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

第四代:大规模集成电路(1970年往后)

固态电子的不断发展,从晶体管的根本上,人们又连续研究出了FET(场效应晶体管,Field-Effect Transistor),与传统的晶体管比较,掌握办法由电流变成了电压,在FET的栅极上加上得当的电压,就可以掌握电流。
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布局大略,在一块IC上的集成密度比三极管还要高,终于,经由四代的发展,“旧时王谢堂前燕”的IC通过VLSI工艺,可以飞入平凡百姓家了!

Intel C4004

1971年,Intel4004这个划时期产品涌现,它利用MOSFET集成电路技能,采取了10μm工艺,集成了2300个MOSFET,别看它这么小,和祖宗ENIAC的打算能力不相上下。
25年,ENIAC从30吨越跑越小,末了摇身一变进到3mm4mm的硅芯片中,功率乃至只有不到1W!

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