基于二进制的计算机发展历程

1.3.2基于二进制的电子计算机发展历程-----第五组组员：吴昊杨昊成胡明哲朴盈盈祁珂盈李明阳

1.爱迪生效应2.二极管3.三极管4.当今世界上最重要的电子元器件“晶体管”二.摩尔定律及电子计算机的发展方向一.电子计算机基础元件的发展历程1.摩尔定律的提出2.不断的争议3.电子计算机未来的发展方向一.电子计算机基础元件的发展历程1.爱迪生效应1883年，美国发明大王托马斯·爱迪生（ThomasAlvaEdison，1847年2月11日—1931年10月18日）正在为寻找电灯泡最佳灯丝材料，做过一个小小的实验。他在真空电灯泡内部碳丝附近安装了一小截铜丝，希望铜丝能阻止碳丝蒸发。虽然失败了，但他无意中发现，没有连接在电路里的铜丝，却意外地用电流表检测出了金属片中的微弱电流。这在当时是匪夷所思的，难不成电流从空中飞渡了吗？他进一步实验，发现只有当金属片与电源的正极相连时才会产生电流，反之则不会。爱迪生不明白这是什么原理，也没想过可以怎样应用，但依然申请了专利，这种现象因而被称为爱迪生效应（Edisoneffect）。2.二极管1904年，弗莱明利用爱迪生效应，发明了真空二极管。真空二极管，顾名思义就是一个抽成真空的玻璃管。结构和爱迪生的灯泡类似，内部封装两个电极，一个用灯丝加热，一个是冷的金属片。热的电极称为阴极（Cathode），冷的称为阳极（Anode）。当阴极与电源负极相连、阳极与电源正极相连时，电子从灯丝跑到金属片，二极管导通，表现为没有电阻的导线；反之，二极管不通，表现为一个没有合上的开关。所以二极管起到的作用就是单向阀门，也叫做“弗莱明阀门”。由于这样单向导通的特性，二极管正好可以用作无线电的检波器。3.三极管1906年，美国发明家李·德福雷斯特（LeedeForest，1873年—1961年）突然间脑洞大开，在二极管的灯丝和金属片阴阳两极之间增加一个电极——一根波浪形的金属丝（后来金属丝被改成金属网），称为栅极（Grid），加上原来的阴极、阳极，真空玻璃管内就有了三极。就这样他发明了电子三极管。4.当今世界上最重要的电子元器件“晶体管”1947年12月23日，在贝尔实验室，一块三角形塑料片、一条金箔、一个回形针制成的弹簧和一片放在铜板上方的薄锗半导体材料被组合在一起，当今世界上最重要的电子元器件“晶体管”就这样诞生了。这是人类历史非常值得铭记的一天，从这一天开始，电子元器件才能越来越小越稳定，具备了快速发展的基础。早期计算机内部产生0和1电路逻辑的元器件是真空管，体积大发热严重的同时寿命还短，所以它很快就被体积更小也更稳定晶体管所取代。二.摩尔定律及电子计算机的发展方向1.摩尔定律的提出1.摩尔定律的提出

1965年，作为后来英特尔公司联合创始人之一的戈登·摩尔，在当时老牌专业杂志《Electronics》上，发表了一篇主题为“让集成电路填满更多的元件”的评论性文章。在文章中，戈登·摩尔根据前几年自己身处行业发展规律的观察，提出了一个对未来半导体行业发展的著名预测：当价格不变时，单位面积芯片上可容纳的晶体管数量，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。从摩尔定律的历史产生背景我们不难知道，它不是天然存在的自然规律，也不是准确无误的物理法则，仅仅只是对于趋势的经验推测。但就这么一个预测，却在后来奇迹般的指导了半导体产业整整五十多年的发展，甚至成为计算机行业进步背后的金科玉律，深刻影响着硬件产品的更新迭代。无论是英特尔还是三星以及台积电，在半导体工艺的研发上，前几十年来一直都是依据摩尔定律的规律来设定的研发目标。2.不断的争议

摩尔定律预言了半导体产业50年的发展。摩尔预言了一个光辉的未来，改变了世界。这样高速的增长在其他产业是见不到的。但是大名鼎鼎的英伟达创始人兼首席执行官黄仁勋曾公开表示2.不断的争议

但是前些日子，有这样一条新闻。2.不断的争议

有人说，摩尔定律已经成为一个技术问题，还有人说遵循摩尔定律已经没有意义，更有人说，摩尔定律已死。出现这些声音的原因，是因为按照摩尔定律的预测，随着时间的推移，芯片上所能集成的晶体管数量会越来越多，性能会以每两年左右翻一倍的速度增长，但事实并非如此。我们都知道现在的电子计算机能做到的所有功能，本质上都是通过0,1组成的二进制数来进行存储和运算实现的。如今随着半导体技术和集成电路的发展，晶体管的尺寸越来越小，在同样的面积下，已经能够容纳超过几十亿个晶体管。但如果想继续沿着摩尔定律的进程再进一步缩小晶体管的尺寸时，更艰难的问题也随之而来。现在的晶体管制程已经小到了10nm和7nm，当它的尺寸再缩小到5nm、3nm甚至1nm时，就有一个很严重的问题阻碍了现有的晶体管技术——量子隧穿！什么事量子隧穿？3.电子计算机未来的发展方向

首先，我们知道，在原子尺寸的领域里，经典物理学就已经失效了，人们必须要接受看起来非常玄乎的量子力学。3.电子计算机未来的发展方向

量子隧穿效应同样很违背人类的直觉。举个例子，正常情况下，一个人不借助梯子是无法跨越5米的高墙的，无论这个墙怎么变薄，高度在那里摆着，没有工具的话，人就无法跨过去。但是在量子领域，如果这个墙变的和人的厚度差不多的时候，人就有一定几率闪到墙对面去。同样的，原本需要施加电压才能导通的晶体管，尺寸缩小到原子级别后，电子的位置就变成了概率出现，在没有通电的情况下也能发生转移，这就是量子隧穿效应。3.电子计算机未来的发展方向

3.电子计算机未来的发展方向

同样的，原本需要施加电压才能导通的晶体管，尺寸缩小到原子级别后，电子的位置就变成了概率出现，在没有通电的情况下也能发生转移，这就是量子隧穿效应。这时候，因为晶体管提供0,1逻辑的准确率下降，造成的运算准确率也随之下降。不仅如此，晶体管尺寸越小，它的漏电现象也越严重，甚至线路之间离得太近也会导致寄生电容暴涨。这些都是不能够用现有工艺严格控制的意外的产物。所以讲到这里，大家可能就明白了。严格以两年的时间晶体管数量增加一倍并且性能提升一倍的标准来说，即使晶体管尺寸能做到那么小，有那么多不可靠性，谁又敢用呢？至于摩尔定律失效之后，是不是以后的电子产品性能提升会越来越慢甚至停滞不前？那倒不一定，像原先一样靠堆更多的晶体管在芯片上面来提升性能的路子走不通了，还可以换条路走。比如将晶体管的导电沟道换成石墨烯等更有利于电子迁移的材料，这样晶体管切换0,1的逻辑会变快，运行速度照样能提高。或者重新设计新的晶体管架构，使它能够处理0,1逻辑功能变多，这样原先需要两个晶体管才能实现逻辑功能，现在只要一个晶体管，也同样能提高芯片的性能。甚至改变栅极材料也是一种方法。摩尔定律从诞生到现在也已经过了五十四年，其实早在20多年前，就已经有人提到过定律终将失效，但在这些年里，对于它是否失效的争论从未停息。3.电子计算机未来的发展方向