飞速发展的电子计算时代

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电子时期，计算机的样子终于开始向我们熟悉的模样靠拢，它从图灵那儿取得灵魂，从冯·诺依曼手上拿到骨架，并在后继者的不断努力下变得血肉丰满。

本章专注于电子计算机最核心的部分，但这一时期还爆发出太多太多令人目不暇接的相关技术，是它们逼出了计算机的全部潜能，探索着0和1的一切可能性。操作系统、编程语言和网络的出现，为各种类型的应用软件搭好舞台；软件对电信号的层层封装，给软件本身带来爆发式的成长；存储技术的革新，带着程序从池塘来到大海；鼠标、键盘、触屏、VR眼镜，人机交互形式的变革重新定义着机器的角色……

从军用到商用、到民用，从大型机房来到办公桌和膝盖上、来到手掌和手腕上，计算机的全方位渗透，改变着人们的生活方式，乃至世界的运作规则。计算机领域相关的企业则雨后春笋般野蛮生长，上演着一幕接一幕人们津津乐道的商战大戏。这是一个不可思议的时代，一个传奇层出的时代。

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这一时期，计算机的发展可以用爆炸来形容。1942年，第一台电子计算机ABC问世；1945年，第一台通用电子计算机ENIAC建成；1948年，第一台冯·诺依曼结构的电子计算机ARC2投入使用；1949年，肖克利发明BJT；1954年，第一台全晶体管计算机在贝尔实验室诞生；1958年，基尔比发明集成电路；1959年，贝尔实验室制成MOS管；1962年，MOS集成电路面世；1965年，IBM推出360系列，宣告集成电路计算机时代正式开幕……

下面是1971～2005年间英特尔各型微处理器芯片主频^[1]的折线图，在摩尔定律的作用下，从最初的数百KHz到如今PC主流的3～4GHz的进化只用了30余年。

1971～2005年间英特尔各型微处理器芯片主频

如今计算机所具备的“超能力”，已经远远超出了早期电子计算机研制者的想象，更不用提这之前的先驱们了。哪怕是如今的我们，即使有摩尔定律提供的心理准备，也很难想象十年后的世界会被0和1改变成何样。

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不过，近年来，集成电路的发展开始接近瓶颈，整个芯片制造行业显得有点力不从心。以英特尔为例，在2007年启用嘀嗒模型^[2]后，制程从45纳米升级到32纳米用了26个月，32纳米到22纳米、22纳米到14纳米各用了28个月，而14纳米到10纳米却用了44个月。2016年，英特尔不得不改用包含三个周期的新模型（制程-架构-优化模型），“两步走”减缓为“三步走”，而在此前，摩尔本人就宣称摩尔定律将在10年左右的时间内彻底失效。

读者可能很难想象10纳米制程是一个怎样的微观概念？其实，硅原子的晶格常数（晶胞边长）约为0.5431纳米，这意味着，MOS管的导电沟道在长度方向上只能排列18个原子。而当制程进一步缩小，到达7纳米以内时，研制者就不得不与量子力学打上照面，神奇的量子隧穿效应使电子可以在没有外部电场作用的情况下肆意穿越到它本不可能到达的地方，仿佛其间有个隧道一般。经典物理在此失效，0不再确定为0，1不再确定为1，这是晶体管怎么也无法逾越的屏障。尽管，研究者们正使用各种手段避免隧穿效应带来的麻烦，但他们心里比谁都明白，这是一条很快就将见底的死胡同。

于是，多核处理器出现了，让双核、四核、八核，乃至更多内核协同工作，以提升总体性能。疲惫的制程得以在名为摩尔的高速路上稍作喘息，CPU的功耗也得以降低（降低主频）。这种做法就像在员工的个人能力达到瓶颈时公司不得不招聘更多员工一样，人多了确实可以分担工作量，甚至只需更低的人均薪资，前提是这些工作可以并行完成，同时，团队管理将是一个新问题。多核的优势依赖于软件层面的多线程技术，如果一个程序只能按部就班地顺序执行，多出来的内核就只能“袖手旁观”了。同时，内核之间的通信是需要时间和资源的，核数的翻倍并不意味着性能的翻倍。

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也许有读者会感到困惑：为什么要把想方设法缩小晶体管呢？把芯片做大不也可以集成更多晶体管吗？尤其对于台式机，主机箱的空间足够容纳砖头大的CPU了，为什么要把它做那么小呢？这得从芯片的原材料——晶圆说起。晶圆是从提纯后的硅棒上切出来的圆形薄片（厚度不足1毫米），类似火腿肠切片。

直径为51、100、150和200毫米的晶圆（图片来自维基百科）

把晶圆等分成一个个小方块（或矩形块），这些小方块就是制作芯片的底板，圆周上的灰色小方块不完整，是不能用的。

从晶圆上等分出芯片底板

如果想让芯片更大，同样大小的晶圆就只能切出更少的芯片底板，即使厂商愿意接受产量的降低，也会因为良品率的问题而打退堂鼓。晶圆在制作过程中会引入少量瑕疵，含有瑕疵的小方块是不能用的次品，小方块越大，芯片的良品率越低。

芯片底板良品率与颗粒度的关系示意

那么，可不可以制造更大的晶圆来应对以上问题呢？可惜的是，受生产工艺的限制，晶圆尺寸的发展基本呈线性趋势，根本追不上摩尔定律，当今的主流直径仍是2002年面世的300毫米。

晶圆直径趋势图

此外，增大芯片尺寸意味着更高的功耗和发热量，如果你有幸买到一个由整块晶圆做成的CPU，基本就能省下购置电磁炉的开支了。而且，晶体管等元件之间的互连线也变长了，虽然电信号跑得飞快，但别忘了现在的主频也很高，路程一长，就会出现一个信号还没到达终点时下一个信号已经产生的尴尬情况。在主频为4GHz的CPU中，即使信号以光速（3×10⁸m/s）传输，也最多只能跑7.5厘米的距离。超出这一距离后，信号需要中继和同步，这将带来额外的设计成本，也势必反而会拖累性能。

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不得不承认，这位名为电子计算的巨人在驮着人类科技飞奔了半个世纪之后，终于开始体力不支。所幸的是，科学家们已经着手各种新型计算机的研究并逐年取得突破性进展，相信在不久的将来，科幻即将成为现实。

参考文献

• Intel. Microprocessor Quick Reference Guide[EB/OL].
• Wikipedia. Tick–tock model[EB/OL].
• Wikipedia. 5 nanometer[EB/OL].
• 知乎. CPU的制程越来越小，为什么不通过增大面积来提高性能？[EB/OL].
• Wikipedia. Wafer (electronics)[EB/OL].

相关阅读

• 图灵机：计算机世界的理论基石
• 电子管：电子时代的到来
• ABC：第一台电子计算机
• 巨人机：第一台可编程电子计算机
• ENIAC：第一台通用电子计算机
• 冯·诺依曼结构：现代计算机的诞生
• 第一批冯·诺依曼计算机
• 晶体管：现代计算机的细胞
• 集成电路：芯片时代的到来

1. 主频，即时钟频率，是衡量微处理器性能的一大指标，以Hz为单位，表示每秒内电信号在0和1之间相互切换的次数，1KHz即每秒切换一千次，1MHz即每秒切换一百万次，1GHz即每秒切换十亿次。 ↩

2. 即Tick-Tock模型，每一个Tock周期（2年）更新一次芯片架构，每一个Tick周期（2年）更新升级一次制造工艺，两者交替推进。 ↩