计算机硬件发展史

计算机硬件发展史_科技史与方法论

1．电子管与ENIAC

（1）电子管的诞生

对计算机科学发展史有所了解的人都知道，世界上第一台电子计算机是用电子管作为逻辑元件的，那么电子管是怎样诞生的呢，下面我们就来看一下电子管的发展历史［3，4］。

1）爱迪生效应

1904年，世界上第一只电子管在英国物理学家弗莱明（J．Fleming）的手下诞生了。弗莱明为此获得了这项发明的专利权。说起电子管的发明，我们可以追溯到爱迪生时期。提到爱迪生，大家一定不会陌生，他是举世闻名的大发明家，一生有无数的技术发明，尤其是电灯泡的发明，给人类带来了光明。弗莱明电子管的发明就是受到了“爱迪生效应”的启发。

图6．1．3　爱迪生

“爱迪生效应”是爱迪生在改进碳丝灯泡时偶然发现的。1877年，爱迪生（如图6．1．3所示）发明碳丝灯泡后应用不久，发现其寿命太短，碳丝容易高温蒸发，于是，他一直想改进灯泡，在1883年，他终于想到了一种可行的办法，他在灯泡内另行封装了一根铜线，铜线也许可能阻止碳丝蒸发，延长灯泡寿命。爱迪生做了无数次的试验，证明这种方法并不成功。虽然这种想法没有试验成功，但是，他却发现了一个奇怪的现象:在碳丝加热后，和碳丝不相连的铜线上竟然有微弱的电流通过。这股神秘的电流是从哪里来的？爱迪生也无法解释，但他意识到这是一项新的发现，不失时机地将这一发明注册了一个当时未找到任何用途的专利，并命名为“爱迪生效应”。

遗憾的是，爱迪生没有意识到这一发现带来的重大科学意义与它的实用价值，与真空二极管的发明擦肩而过。直到后来英国物理学家和电气工程师弗莱明才认识到“爱迪生效应”的重要性。

2）世界上第一个电子管（真空二极管）

弗莱明（如图6．1．4所示）当时在英国马可尼电报公司工作，是一名电气工程师，他一直在寻求一种可靠的检波手段，但是一直没有收获。一天，他听到了大洋彼岸另一端的这样一个消息，爱迪生发现了“爱迪生效应”的奇怪现象，这对他有很大的启发，他认识到这可能就是他一直在寻求的方法:如果在真空灯泡里装上碳丝和铜板，分别充当阴极和阳极，那么灯泡里的电子就能实现单向流动，这样就可以实现一个有效监测微弱电报信号的检波器了。

经过反复试验，弗莱明于1904年研制出一种特殊的“灯泡”，这种灯泡和爱迪生那只封装铜丝的灯泡如出一辙，但是爱迪生把它作为改进灯泡的失败品，弗莱明却让它发挥了其实用价值，它能够充当交流电整流和无线电检波，作为检波器件使用。弗莱明把这种发明称为“热离子阀”，并为它申请了专利，这就是世界上第一只电子管，也就是现在人们说的真空二极管（如图6．1．5所示）。

人类第一只电子管的诞生，标志着世界从此进入了电子时代。电子管在后来计算机的发展中占有十分重要的角色。

图6．1．4　弗莱明

图6．1．5　弗莱明发明的真空二级电子管

3）真空三极管

电子管发展到真空二极管并没有止步。真空二极管主要用作整流和检波，而不具有放大功能。对电子管进一步改进的是美国工程师德·福雷斯特（D．Forest）（见图6．1．6），他于1906年发明了真空三极管。福雷斯特在一次偶然的机会邂逅了无线电发明家马可尼，激发了他创新无线电检波装置的发明之梦。1906年，为了提高真空二极管检波灵敏度，德·福雷斯特在弗莱明发明的真空二极管的阴极和阳极之间添加了一个栅栏式的金属网，形成第三个极。这个“栅极”仿佛就像百叶窗那样，在“栅极”上加电压，就能控制阴极与阳极之间的电子流，此电流通过“栅极”后，就可获得放大的电流，而且波形与栅极电流完全一致，标志着这是一种能够起放大作用的真空三极管器件（如图6．1．7所示）。德·福雷斯特为这个“三个极”的真空管取名为“Audion”（奥迪恩），并申请了专利，宣告了真空三极管具有放大作用。

图6．1．6　德·福雷斯特和Audion

图6．1．7　德·福雷斯特发明的第一个Audion

真空三极管的发明为新兴电子工业奠定了基础，为通信、广播、电视、计算机等技术的发展铺平了道路，为计算机的诞生提供了条件，使计算机的历史由此跨进电子纪元。人们为了纪念这一发明，在德·福雷斯特的故居帕洛阿托市建造了一块小型纪念碑，以市政府名义书写着一行文字:“德·福雷斯特在此发现了电子管的放大作用。”

（2）电子管的启示

从电子管的发明过程中我们得到很多东西。真空电子管作为一项技术发明，科学实验的科学方法是必然会用到的，它也是众多发明家都会用到的一种科学方法。爱迪生一生发明无数，其中电灯泡是他的伟大发明之一。爱迪生在做灯丝材料的实验时，也是经过了无数的失败的。他为了找到一种理想的灯丝材料，曾经试用了6　000多种材料，试验7　000多次。在他面对成功前的一次次失败时，英国一些著名的专家甚至讥讽爱迪生研究是毫无意义的，一些记者也报道“爱迪生的理想已成为泡影”。但是，他没有气馁，仍然继续自己的理想，正是他的坚持，才让电灯泡走进了千家万户中。爱迪生的坚持和毅力值得我们每一个人学习，坚持就是胜利。但是，爱迪生在发现“爱迪生效应”时，却没有认识到它的价值，可能是他太注重技术发明的实用性，而忽略了“爱迪生效应”背后的科学意义。

弗莱明发挥了充分的想象和联想，从“爱迪生效应”中想到它可以作为一种检波手段，并动手进行了试验，最终发明了真空二极管。德·福雷斯特也是采用科学实验的方法，在改进检波灵敏度的过程中产生灵感，联想到“栅级”的作用。

（3）ENIAC——第一台电子真空管计算机［5，6］

1946年，美国宾夕法尼亚大学生产了世界上第一台全自动电子多用途数字计算机“埃尼阿克”（Electronic Numerical Integrator and Calculator，ENIAC，中文意思是电子数字积分器和计算器）。ENIAC的诞生具有划时代的意义，它标志着电子计算机时代的真正到来。

ENIAC实际上是美国陆军军械部设立的“弹道研究实验室”为了满足计算弹道需要而研制成的。战争给计算机的诞生铺平了道路。第二次世界大战期间，各国都在积极备战，除了参战人员，武器装备非常的重要，武器的优劣有时直接决定着战争的胜利。当时占主要地位的战略武器就是飞机和大炮，“飞毛腿”导弹、“爱国者”防空导弹、“战斧式”巡航导弹等先进武器还没有出现。此时研制和开发新型大炮和导弹就显得十分必要和迫切。为此美国陆军军械部在马里兰州的阿伯丁设立了“弹道研究实验室”。美国军方要求该实验室每天为陆军炮弹部队提供6张火力表以便对导弹的研制进行技术鉴定。虽然只有区区6张火力表，但是它们所需的工作量大得惊人！每张火力表都要计算几百条弹道，而每条弹道的数学模型都是一组非常复杂的非线性方程组，而且这些方程组是没有办法求出准确解的，只能用数值方法近似地进行计算。数值计算也并不容易，按当时的计算工具，实验室即使雇用200多名计算员加班加点工作也大约需要两个多月的时间才能算完一张火力表。这样的效率是不能满足当时的背景条件的，战争等不了，此时急需新的计算工具。

1943年6月，宾夕法尼亚大学莫尔学院（Moore School）与联邦政府签订10万美元（后来经费不断追加，一直到48万美元，在当时是一笔巨款）的合同研制计算机，并成立了一个研制小组。研制小组的主要目的就是上面提到的，设计为阿伯丁弹道研究实验室的各种火炮计算弹道、编制射击表的计算工具。这个研制小组以36岁的副教授约翰·莫奇利（John William Mauchly，1907—1980年）和24岁的工程师伊克特（John Presper Eckert，Jr，1919—1995年）为首，莫奇利是总设计师，负责机器的总体逻辑设计；伊克特是总工程师，负责电路设计，另外还有戈尔斯坦、博克斯等人也参与了研制工作。更加幸运的是，著名数学家冯·诺依曼（v．n weumann，1903—1957年，美籍匈牙利人）在研制过程中期加入了研制小组。冯·诺依曼当时任弹道研究所顾问，正在参加美国第一颗原子弹的研制工作，他带来了原子弹研制（1944年）过程中遇到的大量计算问题，在研制过程中对计算机的许多关键性问题的解决作出了重要贡献，从而保证了计算机的顺利问世。

1946年2月，我们迎来了世界上第一台多用途电子计算机ENIAC的问世。ENIAC采用电子管作为计算机的基本元件，它总共使用了17　468只电子真空管，约10　000只电容，7　000只电阻，是一个占地约170平方米，重量30吨，耗电174千瓦，造价不菲的庞然大物。ENIAC是一台十进制并行计算机，能够同时处理10个十进制数，能够重新编程，解决各种计算问题，可以进行加减乘除运算，运算速度每秒5　000次加法、357次乘法或38次除法。虽然在现在看来这没有什么，ENIAC既耗费用又不完善，电子管平均每7分钟烧坏一个，但当时的科学家无不为之欢欣鼓舞，它比当时已有的计算装置要快1　000倍，一套弹道的轨迹，20秒就能算完，比当时炮弹的飞行速度还快，而且还有按事先编好的程序自动执行算术运算、逻辑运算和存储数据的功能。

ENIAC虽然未能参加第二次世界大战，但被洛斯阿拉莫斯（Los Alamos）国家实验室用于原子弹爆炸的突变问题，后来又用于阿伯丁的空军试验场，一直运行到1995年10月才停止工作。ENIAC的问世具有划时代的意义，它宣告了一个新时代的开始，代表着人类迈进了电子计算机时代的门槛。

图6．1．8　格伦·贝克（远）和贝蒂·斯奈德（近）在位于弹道研究实验室（BRL）的ENIAC上编程

图6．1．9　1947年第一只点接触式晶体管

2．晶体管与TRADIC、IBM　1401

（1）晶体管的诞生［7］

虽然ENIAC的问世具有十分重要的意义，但是作为ENIAC主要逻辑原件的电子管确不怎么让人满意。从其占地面积、功耗和损坏率来看，电子管不仅十分笨重而且容易产生大量热量，能耗大，寿命短，易出现故障。电子管显然不是电子计算机的理想材料。电子管本身的弱点和军事部门的迫切需要，促使人们努力寻找一种新型的电子器件来代替电子管。最终，贝尔实验室找到了这种新型电子器件，它就是晶体管（如图6．1．9所示）。

晶体管是一种三个支点的半导体固体电子元件。半导体是19世纪末才发现的一种材料，在“二战”中发挥了十分重要的作用，“二战”后，许多科学家都投入到半导体的深入研究中。最终，经过紧张的研究工作，贝尔实验室的美国物理学家威廉·肖克利（William Shockley）、约翰·巴丁（John Bardeen）和沃特·布拉顿（Walter Brattain）（如图6．1．10所示）三人捷足先登，合作发明了晶体管，并因此获得多了诺贝尔奖。

图6．1．10　威廉·肖克利（William Shockley）（中间坐着）、约翰·巴丁（John Bardeen）（左站立）和沃特·布拉顿（Walter Brattain）（右站立）

晶体管的研究过程也是十分曲折的。1945年夏天，贝尔实验室正式决定加强固体物理学的基础研究，并为此制订了一个庞大的研究计划，其中半导体研究是固体物理学研究的一个重要方面。1946年1月，贝尔实验室的固体物理研究小组正式成立了，这个小组以肖克利为首，下辖若干小组，其中之一包括布拉顿、巴丁在内的半导体小组。在这个小组中，活跃着理论物理学家、实验专家、物理化学家、线路专家、冶金专家、工程师等多学科多方面的人才。他们相互合作，积极交流，提出新想法，沉醉在理论物理领域的研究与探索中。

在实验开始之前，他们做了大量的准备工作。他们先整理了过去有关半导体方面的文献资料，然后到普渡大学调研，尽可能获取最新消息。实验组的第一个半导体三极管设想采用的是肖克利提出的场效应概念。它的工作原理是将一片金属板覆盖在半导体上面，利用金属与半导体之间的电压所产生的电场来控制半导体中通过的电流。根据这一方案，他们仿照真空三极管的原理，试图用外电场控制半导体内的电子运动。但是理想是美好的，现实是残酷的，他们的实验屡屡失败。在这样的情况下，肖克利转而研究其他课题，把这个摊子留给其他人继续干。巴丁和布拉顿却没有因此放弃，而是思考失败的原因，继续前进。

按照理论，他们不可能得到这样的结果，可为什么理论与实际相差如此之大呢？经过苦苦思索巴丁分析了失败的原因，并提出了一种新的理论——表面状态理论。这一理论认为实验总不成功是由于半导体的表面晶体有缺陷，它能捕获电子，形成对电场的屏蔽，使场效应无法实现。他们乘胜追击，加快了研究步伐，利用采用在金属与半导体之间加入电解质并在它和半导体之间通电以消除表面状态的办法，利用场效应又反复进行了实验。可是实验还是没有成功，半导体的表面电阻能在一定范围内变化，但还存在没有电压增益以及频率响应只能达到10Hz等缺点，这出乎实验者的预料。

但是他们没有气馁，继续研究。1947年12月11日，同组的物理化学家Gibney向他们提供一个N型锗片，上面生成了氧化层（取代电解质），在氧化层上面又沉淀了5个小金粒。布拉顿在金粒上面打两个小洞，用钨丝穿过小洞和氧化层到达半导体作为一个电极，希望通过改变金粒块和半导体之间的电压能改变电极和半导体之间的电阻（或流过半导体的电流）。布拉顿在做实验时，发现金粒与半导体之间的电阻很小，二者几乎形成短路，即氧化层没有起绝缘的作用。而当布拉顿在金粒和钨丝电极加上负电压后，发现没有输出信号。在操作过程中，布拉顿不小心将钨丝和金粒短路，将金粒烧毁。12月12日，布拉顿分析失败的原因，是由于用水冲洗时将氧化层的氧化膜一起冲走。布拉顿觉得值得一试，他将钨丝电极移到金粒的旁边，加上负电压，而在金粒上加了正电压，突然间，在输出端出现了和输入端变化相反的信号，巴和布立刻意识到一个历史性的新纪元开始了。初步测试的结果是:电压放大倍数为2，上限频率可达10　000Hz，至此，前面所说的两个缺点都被克服。

此后的几天，他们把整个实验装置就重新布置了一番。1947年12月23日，人们终于得到了盼望已久的时刻。这一天，巴丁和布拉顿把两根触丝放在锗半导体晶片的表面上，当两根触丝十分靠近时，放大作用发生了。世界第一只固体放大器——晶体管也随之诞生了。在这值得庆祝的时刻，布拉顿按捺住内心的激动，仍然一丝不苟地在实验笔记中写道:“电压增益100，功率增益40，电流损失1/2．5……亲眼目睹并亲耳听闻音频的人有吉布尼、摩尔、巴丁、皮尔逊、肖克利、弗莱彻和包文。”在布拉顿的笔记上，皮尔逊、摩尔和肖克利等人分别签上了日期和他们的名字表示认同。

图6．1．11　点接触式晶体管

巴丁和布拉顿实验成功的这种晶体管，是金属触丝和半导体的某一点接触，故称点接触晶体管（如图6．1．11所示）。这种晶体管对电流、电压都有放大作用。1948年6月，贝尔实验室报道了这一发明，并申请了专利。但是美国专利局认为肖克利并没有在此研究中发挥重大作用，专利权只是授予了巴丁、布拉顿两人。但是，肖克利并没有因此受到打击，而是继续投入到工作中。所幸，诺贝尔奖没有抛弃这位伟大的科学家。考虑到肖克利对晶体管研究的理论贡献，巴丁、布拉顿、肖克利三人共同获得1956年诺贝尔奖。他们的点接触式晶体管在当时引发了一场电子科学技术革命，被媒体和科学界称为“20世纪最重要的发明”。

点接触式晶体管制造复杂，使用起来不是很方便。它问世后，又出现了很多新型晶体管。1951年，肖克利发明了一种结构类似三明治的结型晶体管，把N型半导体夹在两层P型半导体中间；1954年美国德州仪器公司（TI）研制出硅晶体管，为降低晶体管制造成本开辟了道路。晶体管的发明奠定了现代电子技术的基础，揭开了微电子技术和信息化的序幕。

晶体管诞生中的科学方法

在晶体管的诞生中，威廉·肖克利、约翰·巴丁和沃特·布拉顿三人作出了突出贡献。尤其是约翰·巴丁和沃特·布拉顿的科学实验，从中可以看到他们成功的方法。

（1）积极调研方法

资料调研是一种非常重要的科学方法。在开始晶体管实验之前，肖克利、巴丁、布拉顿等人做了大量的准备工作，先整理了过去有关半导体方面的文献资料，然后到普渡大学调研，尽可能获取最新消息。这是非常重要的，只有了解足够多的知识，项目进行起来才会事半功倍。当我们拿到一个研究课题时，第一件事就是要进行调研，获取最新资料。了解别人做过什么，没有做过什么，有什么好的想法等。然后再根据自己的实际情况进行研究。如果只是埋头苦干，是不科学的，而且苦干一番的结果可能只是别人早已做过的。所以，科学调研非常重要，每一个科学研究人员都要掌握这种科学方法。

（2）坚持正确的理论，分析比较交流、合作的科学方法

肖克利、巴丁、布拉顿实验组的第一个半导体三极管设想采用的是肖克利提出的场效应概念。但是他们在进行多次实验以后，都以失败告终。在实验结果和理论不相符的情况下，他们没有盲目地用“实验说明一切”的想法推翻先前的理论，而是认真地对实验失败的原因进行分析。先是巴丁分析了第一次失败的原因，并提出了一种表面状态理论，重新进行了实验。结果实验又失败了，他们仍然没有放弃，布拉顿又分析了失败的原因，并且抓住了实验过程中的一个偶然短路事件，大胆地再次尝试实验。结果他们成功了。正是因为他们始终坚持正确的理论，注重分析实验失败的结果，和理论相比较，不断地交流合作才使他们获得了胜利的果实。

（2）TRADIC——第一台晶体管计算机

晶体管研制成功后，很快就得到应用。发明晶体管的最初目的是改进电话继电器，晶体管的第一个商业应用是用它来改装新型继电器，后来，又用于助听器、收音机等小型实用器件的制造。晶体管用于计算机的制造则较晚。

贝尔实验室在晶体管的研制方面取得了先机，同样，他们也是把晶体管用于计算机的逻辑元件的领头羊。1954年，贝尔实验室研制出世界上第一台晶体管计算机，这台计算机取名为“TRADIC”（Transistorized Airborne Digital Computer，中文名:催迪克）（如图6．1．12所示）。TRADIC共装有800只晶体管，功率仅有100瓦，占地面积仅有3立方英尺，而此时的计算机，诸如IBM的701系列和650系列都还是使用电子管的庞然大物。TRADIC还增加了浮点运算，使计算机能力有了很大提高，贝尔实验室再次让世界震惊。1997年，TRADIC项目成员莫瑞·欧文（M．Irvine）还因此获得美国计算机历史博物馆斯蒂比兹先驱人物奖。

图6．1．12　TRADIC

（3）IBM　1401——晶体管时代计算机的代表

TRADIC面世后，计算机行业者很快认识到晶体管在电脑制造中的巨大潜力。晶体管和电子管相比，有不可比拟的优越性:晶体管体积小，重量轻，装备密度高，体积只有电子管十分之一到百分之一；可靠性高、寿命长，平均比电子管长100～1000倍；功耗低，效率高，至少比电子管的功耗少一个数量级，而且不用预热，开机就工作；适合批量生产，降低了成本。晶体管很快取代电子管，成为计算机的主要逻辑元件，计算机的结构和性能也因此得到提高。1957年，IBM公司的IBM　709是最后一个电子管大型计算机。之后，计算机制造都转到晶体管上来，各大公司纷纷推出自己的晶体管计算机。

在众多晶体管计算机中，IBM公司在1959年推出的IBM　1401（如图6．1．13所示）晶体管计算机备受瞩目［8］。它是最早完全运行于晶体管之上的计算机之一，其体积更小，更耐用。它在当时被宣称是第一台低价通用性计算机，也是当时最容易编程的机器。它以每月2500美元的租金租给用户使用。IBM　1401一推出就受到空前的欢迎。在推出后的前五个星期，IBM就收到了5　200份订单，比预计的整个机器寿命内的销量还要高。很快，在曾经抵制自动化的企业中，业务功能都由计算机接管。到20世纪60年代中期，1401系统的装机量已经超过10　000台，使其成为历史上最畅销的计算机系统。

图6．1．13　IBM　1401

这简直是一个奇迹，Paul E．Ceruzzi就曾在《现代计算史》（A History of Modern Computing）一书中写道:“这是一种实用的设备，但用户对其有一种失去理性的偏爱。”IBM　1401为什么如此受欢迎？有人分析说是因为其背后的意义:IBM 1401它标志着新一代的计算架构，它以租赁的方式服务大众，使人们认识到计算机不一定是精英集团的专属机器，它可以良好地应用于中型企业和实验室环境，甚至服务到每一个人。它使人们意识到计算机的巨大潜力，计算机将无比强大，甚至不可或缺。

IBM　1401无疑是晶体管计算机的代表，大大刺激了计算机行业的发展。IBM公司也因此发展壮大，声名显赫。

3．集成电路与IBM360系统、CPU芯片

（1）集成电路的诞生

晶体管的发明使电子设备的体积缩小，耗电减少，各方面性能都有所提高，但是随着电子工业的迅速发展，晶体管已经不能满足人们的需求，尤其是计算机，虽然已经不是电子管时代那样的庞然大物，但是仍然非常的笨重，不利于使用。众多的科学家也在不断地尝试各种手段，试图使晶体管的体积更小。但是晶体管本身的小型化是有限的，不能无限缩小。在这样的情况下，新的电子元件的研究重新摆到了人们的面前。在众多的发明中，有一项技术发明脱颖而出，那就是集成电路（Integrated Circuit，IC）技术。

杰克·基尔比

杰克·基尔比（Jack Kilby，1923—2005年），名下的发明有50多项，照片和发明家爱迪生一起悬挂在国家发明家荣誉厅内，为人类发展做出巨大贡献。但是大家都熟悉爱迪生，却不一定知道杰克·基尔比。他是集成电路技术的发明人之一。

杰克·基尔比的早年生活并不如意，幼年时在堪萨斯州长大，其父经营着一家当地电器公司，高中的时候，就认定将来要成为一名电器工程师，18岁时参加了麻省理工学院的入学考试。但是因为三分之差，与麻省理工学院擦肩而过。“二战”爆发后，基尔比被派到印度的一家茶叶种植园，在那里的美军前哨的无线电修理店工作一段时间。“二战”胜利后，他去了伊利诺斯大学学习电子工程，选修电子管技术方面的课程。很不幸，1947年他毕业的这一年正好是贝尔实验室发明晶体管的这一年，这意味着他学习的电子管技术课程全部作废。这使得他很难找到好的工作。毕业后他只好先到一家名为中央实验室的小型电子元件制造商（唯一肯为他提供一份工作的公司）那里工作了几年。基尔比很好学，一边工作，一边在威斯康星大学上电子工程学硕士班夜校。他取得硕士学位后进入当时较出名的德州仪器公司工作，这家公司允许他差不多把全部时间用于研究电子器件微型化的公司，给他提供了大量的时间和不错的实验条件。正是在这里，他发明了集成电路（如图6．1．14所示），开始了他的发明之路。

图6．1．14　杰克·基尔比与他发明的世界上第一块集成电路

当时全世界的很多工程师都在寻找让电子元件缩小的解决方法。1952年，英国雷达研究所的科学家达默在一次会议上就曾提出:可以把电子线路中的分立元器件，集中制作在一块半导体晶片上，一小块晶片就是一个完整电路，这样电子线路的体积就大大缩小。这是初期电子线路的构想。杰克·基尔比可能是受到达默思想的影响，在公司其他人员休假的时候，他独自在实验室萌生了集成电路的想法。他意识到当时电路的所有基本元件和线路都是用同一种材料——硅片来做，如果把电阻和电容也用同样的材料做，那么皆可以把它们都组装在一片单独的材料上，就能把相互连接的装置铺设，甚至印制在一个小小的硅片上面。他甚至产生了一个大胆的想法:没有电线。1958年7月24日，基尔比把这个想法匆匆写在自己的笔记本上，并画出了设计草图:“以下电子元件都可以印刻在同一块硅片上。在一个单片上可以安置以下电路元件:电阻器、电容器、配电器、晶体管［9］。”当时同行都怀疑这种想法是否可以，就连他自己也不是很确定。基尔比后来在他所著的《IC的诞生》一书中曾经自我调侃说“我为不少技术论坛带来娱乐效果”。可见当时他的想法并不被一些技术人员看好。幸运的是，基尔比并没有因此放弃，正如他自己说的那样，他有一个很大的优势:“在电子领域我是新手，因此别人认为不可能的事，我一无所知，因此我从不排除任何可能性［9］。”

他把他关于集成电路的想法告诉了他的老板，并且申请制造集成电路的试验模型。老板同意了，但也不想浪费很多钱，于是让基尔比造一个叫相位转换振荡器的简易电路，要求这种装置能把直流电变成交流电。1958年9月，他在进行无数次试验后，终于成功地将锗晶体管在内的五个元器件集成在一起，基于锗材料制作了一个相位转换振荡器的简易集成电路。这是世界上第一块锗集成的电路。基尔比与1959年2月申请了小型化的电子电路（Miniaturized Electronic Circuit）专利，1964年6月26日获得批准。

得益于基尔比的集成电路设计，德州仪器公司于1961年制成世界上第一台基于集成电路的计算机。

罗伯特·诺伊斯

图6．1．15　罗伯特·诺伊斯

集成电路技术的另外一个发明人仙童公司的罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）（如图6．1．15所示）几乎找到了相同的解决方案。诺伊斯提出:可以用平面处理技术来实现集成电路的大批量生产。1959年7月30日，他们利用二氧化硅屏蔽的扩散技术和PN结隔离技术，基于硅平面处理工艺研制出硅集成电路。这是世界上第一块硅集成电路。罗伯特·诺伊斯为其发明申请了基于硅平面工艺的集成电路发明专利，1961年4月26日获得批准。后来罗伯特·诺伊斯离开仙童公司，和摩尔等人创建了Intel公司。

1966年，基尔比和诺依斯同时被富兰克林学会授予美国科技人员最渴望获得的巴兰丁奖章。基尔比被誉为“第一块集成电路的发明家”，而诺依斯被誉为“提出了适合于工业生产的集成电路理论”的人。1969年，美国联邦法院最后从法律上承认了集成电路是一项同时的发明［10］。2000年，基尔比因为集成电路发明被授予诺贝尔物理学奖，诺贝尔奖评审委员会评价基尔比说:“为现代信息技术奠定了基础。”很遗憾，诺伊斯在1990年因病去世，无缘诺贝尔奖。

（2）集成电路诞生的思考

从集成电路的两位发明者身上我们可以学到很多，他们的科学方法和科研态度都值得我们学习。

①不要轻易否定自己，勇于尝试。

在那个时代，很多科学家和工程师都在努力寻找着使电子元件设备更加小型化，更加完备的解决方法。但是当杰克·基尔比提出他的集成电路思想时，却成为“为不少技术论坛带来娱乐效果”。同行们都认为不可能。这可能是因为他们从当时现有的和自身具备的丰富的理论知识出发，单纯的论证，直接否定了其可行性。幸运的是，当时该领域有这么一个新手“不知道别人认为不可能的东西，因此我不排除任何可能”。正是因为杰克·基尔比不排除任何一种可能，不随便否定自己，勇往直前，敢于实践才使得集成电路的诞生，造就了一代伟大的发明家。我们不得不深思，为什么那么多具有丰富专业知识的优秀研究人员都没有发现基尔比思想的重大意义，只是把它看作是一种可以娱乐的天方夜谭呢？虽然他们的专业知识可以让他们在某些方面有更加深刻的理解，有助于发明创造。但是有些人正是自己把自己局限在理论知识的圈子里，限制了思维的拓展。当他们得知一种超出自己理论范围的创造性想法时，总是首先试图用自己现有的知识来解释，如果解释不通，就认为是不可能实现的。但是他们却忽略了，人的知识总是有限的，不断突破自我的过程，就是知识不断增长的过程。

基尔比没有被不可能吓到，他亲自动手试验。结果证明这是可能的，不可能只是因为没有对的方法。在科技发展的长河中，这种不可能变为可能的例子有很多。我们应该学习基尔比这种大无畏的勇于实践精神，敢于做第一个吃螃蟹的人。即使，最后事实证明我们的想法是错的，我们也不是一无所获，相信我们在实践的过程中也会得到许多，也许会在这个过程中产生更加新颖的方法，取得更大的突破。

没有亲身试验的人没有发言权。不轻易否定，勇于实践，机会就会眷顾你。

②标新立异，另辟蹊径。

一个问题可能会有很多种解决方法，有的方法简单，有的方法复杂。例如计算一个数学问题:从1到100的和。我们可以规规矩矩地“1＋2＋3＋……＋100”逐个求和，也可以把用一个公式“（1＋100）＊50”得到结果。显然，第二种方法更加快捷一些。集成电路的发明也是这样，基尔比发明了一种集成电路方法，诺伊斯也几乎在同时发明了另一种平面工艺集成电路方法，而且更加简单。所以说，同样的问题可以有不同的解决方案，我们在思考问题时，不要拘泥于一种想法，要开拓思维，我们可能也会得到新的解决方法。当然了，标新立异，另辟蹊径固然很好，但是千万不可钻牛角尖，如果一项成果已经发展很成熟，再也没有进步的空间，那我们就安心借用这项成果吧！

③借鉴前人成果，注重观察实验方法。

古往今来，各项发明，尤其是技术发明都离不开观察实验。集成电路的发明，同样如此。集成电路的研究一定不是一蹴而就的。不论是基尔比还是诺伊斯都是通过无数次的科学实验，经过了很多失败后才最后取得成功的。时刻注意前人的思想成就非常重要，有时候这可以帮助我们省去很多麻烦。基尔比正是借鉴晶体管的发展，受到达默思想的影响才产生了集成电路这一划时代的伟大想法；诺伊斯也是从当时发展迅速的平面处理技术中得到启发，实现了硅集成电路的大批量生产。所以，对于科学研究人员来说，除了有刻苦钻研的精神外，还要注意前人和同时代的发展成果，也许我们会从中得到一些小的想法，从而茅塞顿开。关于实验方法，前面已经讲了很多，这里就不再重复了。

（3）IBM360系列——小、中规模集成电路数字计算机代表

在1964年以前，计算机厂商要针对每种主机量身定做操作系统，IBM也不例外。当时IBM的每一台计算机之间都毫不相干，它们有不同的内部结构、处理器、程序设计软件和外部设备，功能和性能也不尽相同。如果用户要更换一台计算机，他们不仅要更换电脑本身，外部设备统统需要更换，甚至程序也需要重新编写。当时大部分应用程序还是用汇编语言书写的，这更为更换工作增加了难度。而且在好不容易移植后，计算机的实际速度也并没有实质性的提高，一些软件移植后，还根本不能运行，技术上不能实现兼容。这让用户非常的不满意，一些大的客户纷纷离开IBM寻找新的合作伙伴。

在这种情况下，IBM公司不得不停下来寻找一种新的解决方案。经过全面的调查后发现市场上没有一种解决方法。为了公司的进一步发展，他们必须尽快找到一种新方法走出眼前的困境。经过苦苦思考，一些开发研究人员提出“计算机家族”的概念。IBM的总裁小托马斯·沃森（Thomas Watson Jr．）和相关开发人员讨论后觉得可行，立即下令开展计划。

1964年，就在老沃森创建公司50周年之间，由有“IBM/360之父”之称的IBM公司计算机科学家弗雷德里克·布鲁克斯（Frederick Phillips Brooks，Jr．）主持设计的第一个集成电路的通用计算机系列IBM360系统研制成功，它是世界上首个指令集可兼容计算机。该系列有一个很大的特点，它共有20、30、40、50、65和75六个型号的大、中、小型计算机和44种新式的配套装备，从功能较弱的360/51型小型机，到功能超过51型500倍的360/91型大型机，都是清一色的“兼容机”。“兼容性”是阿姆达尔提出的一种全新的思路。所有型号的360系统计算机，都能用相同处理方式处理相同的指令，享用相同的软件，配置相同的外部设备，而且能够相互连接在一起工作。用户再也不用烦恼电脑的升级问题，单一的操作系统可以适用于整系列计算机。“兼容性”的全新理念给现代计算机的发展带来极大的推动作用，是一场伟大的变革。IBM公司因为360系列计算机（见图6．1．16）再次取得难以置信的成功，360系列受到各大行业的欢迎，成为第三代中、小规模集成电路计算机的标志性产品。

IBM360系列项目在当时被视为是一场商业豪赌，为了研发它，IBM征召了6万多名新员工，建立了5座新工厂，它的研究经费有50亿美元（相当于现在340亿美元）巨款。当然了IBM在如此大的投入后，也取得了众多成果。例如著名的阿波罗登月计划，其数据库就是在IBM360系列计算机的协助下完成。360系列的核心技术也奠定了当今数据库技术、个人计算机风潮、因特网的发展、在线购物和e－business等的基础。

图6．1．16　IBM360系列计算机

（4）微处理器CPU芯片——大规模集成电路数字计算机

随着集成电路技术的成熟，计算机的逻辑元件和主存储器都采用了大规模集成电路（LSI）。所谓大规模集成电路是指在单片硅片上集成1　000～2　000个以上晶体管的集成电路，其集成度比中、小规模的集成电路提高了1～2个以上数量级。计算机开始朝巨型机和超小型机、微型机的方向发展，各种各样的微处理器和微计算机潮水般涌向市场。

在此阶段，计算机硬件飞速发展，尤其是计算机核心微处理器CPU的发展，奠定了微型机的基础。在各大公司生产的芯片中，Intel公司CPU芯片最具有代表性，是当时微处理器的最高水平。下面就以Intel公司芯片的发展为例，简要说明一下微处理器的发展过程。

1971年，世界上第一只商用计算机微处理器芯片4004在Intel公司诞生，它是一件划时代的作品（见图6．1．17）。微处理器4004的发明人是Intel公司年仅34岁的霍夫。4004处理器在芯片上集成了2　250个晶体管，晶体管之间的距离只有10微米，整体尺寸为3mm×4mm，外层有16只针脚，一次可对4个二进制数进行运算，每秒可以运算6万次。微处理器4004的诞生代表着人们实现了仅用一块芯片就承担中央处理器的设想，它本身也是大规模集成电路技术的体现。日本一家名为Busicom的公司采用Intel　4004微处理器芯片制造出Busicom　141－PF计算器，这台计算器的性能与世界上第一台电子管计算机ENIAC（占地167平方米）的性能相当，但它已经不再是之前的庞然大物（如图6．1．18所示）。

图6．1．17　1971年，Intel推出的世界上第一款微处理器4004

图6．1．18　采用Intel　4004CPU芯片制造的Busicom　141－PF计算器，其性能与世界上第一台电子管计算机ENIAC（占地167平方米）的性能相当

在处理器4004芯片推出后，Intel公司一直致力于芯片的研究，推出了许多种新型芯片。我们现在用的CPU芯片多是Intel公司生产。下面介绍一些比较重要的芯片。1972年，Intel公司推出8008处理器，其处理能力是4004处理器的两倍，首批为家用目的而制造的计算机设备之一Mark－8采用了该芯片；1978年，Intel公司首次推出了具有16位数据通道、内存寻址能力为1MB、最大运行速度8MHz的i8086；1979年，Intel公司继续推出了8088芯片，它是第一块成功用于个人计算机的CPU，成为IBM新型主打产品PC的大脑。它仍旧是属于16位微处理器，但它内含29　000个晶体管，随后，Intel又推出了80186和80188，并在其中集成了更多的功能；1982年的时候，Intel在8086的基础上推出了80286，它比8086和8088都有了飞跃的发展，虽然它仍旧是16位结构，但在CPU的内部集成了1万个晶体管，可寻址16MB内存，IBM采用80286推出了AT机并在当时引起了轰动，进而使得以后的PC机不得不一直兼容于PC XT/AT；1985年Intel推出了80386芯片，它X86系列中的第一种32位微处理器，而且制造工艺也有了很大的进步。它的内部内含2万个晶体管，可寻址高达4GB内存，具有多任务处理能力，可同时运行多种程序，可以适用Windows操作系统了；1989年，Intel推出80486DX CPU芯片，这块芯片首次突破了100万个晶体管的界限，集成了120万个晶体管。80486是将80386和数学协处理器80387以及一个8KB的高速缓存集成在一个芯片内，并且在80X86系列中首次采用了RISC（精简指令集）技术，可以在一个时钟周期内执行一条指令。它还采用了突发总线（Burst）方式，大大提高了与内存的数据交换速度，而且使用户从依靠输入命令运行电脑的年代进入只需点击即可操作的全新年代；1993年，推出著名的奔腾（Pentium）处理器，让电脑更加轻松地整合数据，随后几年，不断推出各种奔腾处理器的改进版，高能奔腾（Pentium Pro，1995）、奔腾II（1997）、奔腾II至强（Xeon，1998）、赛扬（Celeron，1999）、奔腾III（Pentium III，1999）、奔腾III至强（Pentium III Xeon，1999）、奔腾4（2000）、至强（Xeon，2001）……2005年，Intel推出著名的酷睿处理器，苹果转向Intel平台后推出的台式机就是采用酷睿处理器；2008年11月17日:英特尔发布core i7处理器，它是一种原生四核处理器，拥有8MB缓存，支持三通道DDR3内存，处理器能以八线程运行，性能比以前高出许多；2009年；推出双核四线程处理器Clarkdale，它是第一款32nm工艺芯片，首次集成图形核心的处理器；2010年Intel公司宣布推出Intel至强处理器7500系列，一款8核处理器；2011年推出10内核“Westmere－EX”CPU……现在各种芯片曾出不穷，性能越来越高，未来计算机芯片将会朝着更加超大规模集成电路、更加智能化方向发展。

（5）PC机的诞生——PC－IBM5150

1981年，IBM公司在纽约宣布IBM PC个人计算机出世，这是世界上第一台个人计算机，IBM将其命名为PC－IBM5150（如图6．1．19所示）。早在1980年，IBM公司就成立了微机研制小组，当时Intel公司的微处理机芯片正炒得火热，其他各大公司也在积极研制自己的计算机产品。IBM微机研制小组认识到，要想在这个竞争激烈的时代快速开发出可以普及的微型计算机抢占先机，就不能再故步自封了，必须实行开放的政策。于是小组决定不再自己研制微处理器芯片，直接采用Intel公司当时最新的8088微处理器，同时委托独立的软件公司为他配制各种软件。正是因为研制小组的英明决定，我们才提早看到了个人计算机的诞生。同时，IBM PC也造就了Intel公司在微处理芯片界的霸主地位。

IBM　5150推出后获得巨大成功，世界上首次明确了PC机的开放行业标准，允许任何人及其厂商进入PC市场。这极大地推动了PC机的未来发展。IBM PC面世后，大量模仿者纷纷加入，推动了PC市场的繁荣。个人计算机以前所未有的速度普及到大众。

图6．1．19　1981年，IBM公司推出的第一台PC－IBM5150

笔记本计算机的诞生

个人计算机诞生以后，人们并没有满足，一直在研究如何让计算机变得更加美观易携带。这就推动笔记本计算机的诞生。

关于谁是第一台笔记本计算机的发明者一直没有定论。美国的康柏公司和IBM公司以及日本的东芝公司都认为自己是第一个发明者。1996年，美国《电脑杂志》提到康柏于1982年11月推出了一款手提计算机，重28磅（约合14千克），这应该算是最早的笔记本计算机雏形。但IBM却拒绝接受这个说法，坚持认为它在1985年开发的一台名为PC Convertible的膝上计算机才是笔记本计算机真正意义上的“开山鼻祖”。而日本同样也在强调自己的优先权。他们认定世界上第一台真正意义上的笔记本计算机是东芝公司的T1000，这款计算机于1985年推出，采用Intel 8086CPU，512KB RAM，并带有9英寸的单色显示屏，没有硬盘，可以运行MSDOS操作系统。

是谁发明了第一台笔记本计算机，现在已经不重要了。随着计算机硬件的发展，超大规模集成电路技术的进步，笔记本的出现是必然的。现在计算机越来越智能，越来越精致，好的手机甚至可以抵得上一台计算机。未来的计算机将会以超大规模集成电路为基础，向巨型化、微型化、网络化和智能化的方向发展。