电子信息类专业导论（第3版）课件 03 计算之芯

计算之芯

概念诞生、大型机、PC机、智能处理器

张有光教授2023年7月电子信息工程导论

智能手机智能手机最重要部件是什么？

华为Mate50，麒麟处理器？2020年10月发布Mate40

麒麟90005nm制程工艺5GSoC芯片Mate40Pro

美国再限制高端AIGPU英伟达GPU芯片：A100和H100…A100采用台积电7nm工艺H100采用台积电4nm工艺AMDGPU芯片：MI250MI250采用台积电6nm工艺

倒逼中国加快GPU自主替代发展速度计算之芯电子计算机前夜

电子计算机诞生大型计算机商用

个人计算机时代移动智能处理器

一、电子计算机前夜手工计算-中国算盘机械计算-四则运算

机械计算-函数运算模拟计算-微分分析

人物故事-布什香农1.1手工计算--中国算盘利用算盘破译密码《暗算》

2005年计算机2000年的历史吴军《计算之魂》计算口诀来控制操作1.2机械计算--四则运算1642帕斯卡进位装置（加减运算）计算尺（1620，英国人）1673莱布尼茨手摇计算机（乘除运算）1.3机械计算--史上最复杂的巅峰之作1822差分机-基本的函数计算巴贝奇（1792-1871）1834分析机-基本的函数计算1834年自行设计了分析机，它能用多项式展开的方法计算对数和三角函数，计算过程则是用打孔卡片输入，完成类似汇编语言的程序指令。

可编程计算机的发明者、计算机先驱。

1.4模拟计算机--微分分析机1931年，万尼瓦尔·布什在，麻省理工学院造出了第1个可解方程的微分分析机，使用了2000只电子管、300千米电线，由150个电动机驱动数百根平行的钢轴，利用齿轮转角模拟计算结果。自重100吨，造价2.5万美元。补充：美国科技管理体系的奠基人万尼瓦尔·布什教授，总统科技顾问学生：硅谷之父特曼、信息论之父香农华裔学者顾毓琇

补充：万尼瓦尔·布什助手--香农继电器-电路设计布尔代数-数字电路《理论遗传学的代数》博士论文《继电器与开关电路的符号分析》最牛硕士论文将电路设计问题变成布尔代数问题，为现代数字电路设计奠定了基础二、电子计算机诞生希尔伯特与逻辑问题

哥德尔不完全性定理

图灵与逻辑计算模型

图灵奖与姚期智院士

通用电子计算机诞生诺依曼计算体系架构

2.1希尔伯特--数理逻辑3大问题1928数学是完备的吗？数学是相容的吗？数学是可判定的吗？

2.1哥德尔不完备定理1931哥德尔1906-1978；《一条永恒的金带》简写版2.2

图灵与逻辑计算模型数学家、逻辑学家，计算机科学之父。首次阐明了电脑原理，从理论上证明了现代通用计算机存在的可能性1935年春季，剑桥大学数学家纽曼在《数学基础》课堂上是这样阐释的：有没有一种明确的方法，能够用“机械的过程”来判定数学命题的真伪，并且自动给出令人信服的证明。这个问题激发了大学生图灵的探究热情，只要有空闲他就思考这个问题。

2.3图灵机、图灵奖与姚期智1966年ACM设立

图灵奖2000年华裔学者姚期智荣获图灵奖1936年图灵机模型（注释：24岁）2.4第1台电子管计算机1937年阿塔纳索夫-贝瑞ABC计算机，300个电子管组成。仅设计用于求解线性方程组，世界上第一台电子数字计算设备。用纸卡片读写器实现的中间结果存储机制是不可靠2.5第1台通用电子管计算机1946年ENIAC计算机：18000多个电子管，7200个晶体二极管，10000多个电容，7000多个电阻，5万多个焊点，消耗功率174kW，重约30吨，占地200平方米莫奇利与埃克特

2.6冯·诺依曼与计算体系架构存储程序计算框架数学家，在计算机科学、经济、物理学中的量子力学及几乎所有数学领域都作过重大贡献。

小结图灵—通用计算机的可行性冯·诺依曼—计算体系结构他们共同关注的课题：大脑和智能理论与工程，两条路线，构成双螺旋三、大型计算机商用

IBM百年辉煌-历史贡献大型商用计算诞生前夜

世纪豪赌IBMSystem360

操作系统与布鲁克斯大型机开创应用新时代

软件的危机与软件工程3.1大型机商用时代--前夜3.2IBM700系列

--将计算引入商业领域

3.2超级计算机之父的克雷

1957年，克雷率领他的科研人员离开了兰德公司，创建控制数据公司。当年，克雷就发布了当时世界上运转速度最快、运算能力最强、信息存储最多的计算机。

3.3小沃森决定--世纪豪赌研发大型机IBM董事长：小沃森1961年世纪豪赌50亿美元IBMSystem/360：开创了多项第一科学计算+事务处理指令集可兼容操作系统硬件接口集成电路

IBMSystem/360

--巨大商业成就1966年底，IBM年收入超过40亿美元，纯利润高达10亿美元，一举跃升到美国十大公司行列。

3.4IBMSystem/360--操作系统控制和管理计算机的硬件和软件资源操作系统流程用户应用程序操作系统硬件操作系统应用程序硬盘键盘鼠标打印机显示屏3.4IBM360之父--布鲁克斯图灵奖获得者1999年

3.5大型机--开创计算机应用新时代科学研究计算+电磁学、物理、化学…电子商务

航空订票系统、银行结算生态…政府应用

美国航空航天局，人口统计，税务局…软件危机布鲁克斯-软件工程

3.6软件危机与软件工程1965-1975

四、个人计算机时代微处理器4004的诞生

PC机的雏形：牵牛星牵牛星开启PC机时代IBMPC兼容机Wintel

计算机仿真计算思维1972年拍下的DECPDP-11系统4.1微处理器的诞生--前夜小型机诞生如何普及？4.1微处理器的诞生主设计者特德·霍夫全球首款商用微处理器Intel

4004，2250个晶体管4位，6万次/s、主频108kHz4.1微处理器的诞生—通用微处理器1973年8月，8位微处理器Intel8080它首次采用MOS工艺，集成了4800个晶体管主频2MHz，运算速度比4004快20倍，可访问64KB存储器。4.2个人计算机的雏形--牵牛星爱德华·罗伯茨牵牛星Altair

8800《大众电子》封面1975年1月刊

4.3牵牛星开启了个人计算机时代Altair8800计算机（牵牛星）Intel诺伊斯苹果乔布斯微软比尔盖茨硬件苹果Ⅱ软件启示？罗伯茨的命运远见的重要性！

4.4

IBMPC与兼容机IBM5150，开放架构康柏、戴尔、惠普…联想、方正、同方…

4.5计算机仿真--如何改变科学的疆域通信雷达精准制导科学研究：实验、数学、计算计算思维

4.5.1电子设计自动化EDAEDA技术器件级系统级电路级卡脖子技术

4.5.2计算机辅助设计CAD

汽车防撞节省成本从有叶片到无叶片安全系数高舒适度高能耗低卡脖子技术

4.5.3虚拟组装与模拟训练飞行模拟训练节省成本安全系数高虚拟组装

4.5.4系统级虚拟仿真与调试音乐厅音响布局效果模拟

4.5.5电子系统的数字化数字通信

主干信道-光纤化、大容量程控交换-延伸到边缘，实现全网数字化以太网、路由器，通信与互联网走向融合软件无线电

基带逐渐延伸到射频

认知无线电……

2G、3G、4G全IP、5G…

物理世界与

虚拟世界虚拟镜像再现物理世界，就像岸上的景物在水中的倒影数字孪生元宇宙五、移动智能处理器英特尔X86系列

英伟达GPU系列

ARM与RISC体系硬件开源的机遇

高通苹果华为5.1英特尔微处理器CPU

--X86体系1978年8086x86体系1971年4004微处理器1981年IBM兼容机5.1英特尔--发展历程1968年创立，主营内存1985年第一次战略转移从内存转向微处理器，1986年推出386IBM缺席，康柏、宏基崭露头角1991年第二次战略转移芯片延伸到信息网络通信宣传口号‘IntelInside’推出486再创辉煌，Dell抢得先机

5.2英伟达图形处理器--GPU1999首创GPU1997RIVA128黄仁勋

5.2英伟达图形处理器--GPU黄氏定律GPU每6个月性能翻1倍计算就是GPUCUDA通用并行架构异构计算环境AI时代硬件首选限制销售数据中心智能汽车5.3PC机与智能手机台式机

笔记本运算能力更快更强主频字长约束条件质量体积功耗散热

5.3ARM的发展之路Nokia6110第一款搭载手游的手机豪泽与克里合作创办ARM5.3.1ARMRISC体系--IP模式典范Advanced

RISC

Machines授权方式处理器优化/物理IP包处理器授权（内核）架构/指令集盈利模式IP授权费+版税2016年09月日本软银240亿英镑ARM收购

5.3.2日本软银收购ARM2019年断供事件

5.4硬件开源的机遇--RISC-V？

中国RISC-V产业联盟中国开放指令生态联盟JohnHennessyDavidPatterson

5.5.1苹果--自研处理器A4-A15苹果10年1芯买下70多家公司打造

5.5.2高通--手机领域的霸主？CDMA算法OFDM算法ARM架构基带处理器GPU处理器CP