改變世界的“小方塊”

劉健

計(jì)算機(jī)的“巨人時(shí)代”

世界上最早的計(jì)算機(jī)長什么樣子？瞧，就是它！

看上去，這就是個金屬做的大盒子，怎么才能用它算算術(shù)呢？秘密就藏在這個“大盒子”里面。它里面有一系列齒輪和發(fā)條。在使用時(shí)，需要用一把鑰匙插進(jìn)去，旋緊發(fā)條后，才能讓它轉(zhuǎn)動起來。而且，它只會做加法和減法。

這臺計(jì)算機(jī)的發(fā)明者是著名的法國科學(xué)家帕斯卡。他當(dāng)時(shí)年僅19歲。為了幫助父親算賬，他發(fā)明了這臺最早的計(jì)算機(jī)。它一問世，就轟動了當(dāng)時(shí)歐洲的科學(xué)界。從此，一代又一代的科學(xué)家投身到了對計(jì)算機(jī)的研究和制造中。

然而，隨著時(shí)代的發(fā)展，人們需要做的數(shù)學(xué)計(jì)算越來越復(fù)雜了。計(jì)算機(jī)也不能光會做加減法呀！因此人們開始著手制造計(jì)算能力更強(qiáng)的機(jī)器。但他們發(fā)現(xiàn)，要想讓機(jī)器算得多算得準(zhǔn)，就必須讓它的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、精密。于是，計(jì)算機(jī)的個子也就越做越大了。

到了1819年，一個英國人巴貝奇設(shè)計(jì)出了一架能夠自動計(jì)算的“差分機(jī)”，它是這個樣子的：

又過了一百多年，人們造出了用電作為能源的計(jì)算機(jī)。但新型的電子計(jì)算機(jī)仍然是個笨重的“大家伙”。因?yàn)殡m然它不再使用齒輪和發(fā)條作為部件了，但卻添加了很多電子元件，還需要安裝大量的電路和導(dǎo)線。

這就是世界上第一臺電子計(jì)算機(jī)。它于1946年2月15日在美國賓夕法尼亞大學(xué)“誕生”，名字叫ENIAC（埃尼阿克）。它使用了17468個真空電子管，重達(dá)30噸，足足可以占滿一個房間！它每秒鐘可進(jìn)行5000次加法運(yùn)算，這在當(dāng)時(shí)已經(jīng)非常了不得了。

理工男的假期小發(fā)明

世界上的第一塊芯片是美國人杰克·基爾比的杰作。

讀大學(xué)的時(shí)候，基爾比是一個典型的“理工男”。一米九八的大個子，長著一張和善的臉，留著一頭地中海卷發(fā)，說話的速度很慢很慢。盡管不善于表達(dá)，但基爾比的動手能力卻非常強(qiáng)。他一直夢想像自己的父親那樣，成為一個出色的工程師。

1958年，基爾比來到位于達(dá)拉斯的德州儀器公司工作。一年前，蘇聯(lián)人成功發(fā)射了人類歷史上第一顆人造地球衛(wèi)星。這讓美國政府感到了巨大的壓力。作為軍方合作企業(yè)的德州儀器公司，這時(shí)正在研制小型計(jì)算機(jī)設(shè)備。

怎么才能將計(jì)算機(jī)做得更小一些呢？基爾比為此經(jīng)常冥思苦想。后來，他終于想到了一個主意，那就是把計(jì)算機(jī)的電路“集成”到同一個元件中，就可以大大減少部件的數(shù)量。為了驗(yàn)證自己的構(gòu)想，他利用公司休假的機(jī)會，獨(dú)自在半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室中展開研究。

經(jīng)過兩個多月的努力，1958年9月12日，基爾比用全手工的方式完成了人類歷史上第一塊集成電路芯片。它由鑲嵌在一塊鍺片上的兩個電路組成，長約半英寸。基爾比親自對它進(jìn)行了測試。當(dāng)他緊張地檢查完連接，推上開關(guān)，一條淺綠色的模型線在屏幕上畫出了一條完美的波形，實(shí)驗(yàn)成功了！

從此，杰克·基爾比成為“集成電路之父”。2000年10月10日，瑞典皇家科學(xué)院頒給他當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎，以表彰他為信息技術(shù)的發(fā)展所做出的巨大貢獻(xiàn)。

一張訂單引發(fā)的革命

羅伯特·諾伊斯出生在美國中西部的普通鄉(xiāng)村。憑借著勤奮好學(xué)，他成長為一名電子設(shè)備專家，并和另外兩個朋友共同創(chuàng)辦了一家名叫英特爾（Intel）的公司。

1969年4月，日本的一家計(jì)算器制造商找到英特爾，希望他們?yōu)樽约旱漠a(chǎn)品開發(fā)專用的處理器。就這樣，世界上第一塊集成電路芯片——Intel 4004正式進(jìn)入研發(fā)階段。

1971年，這塊神奇的“小方塊”終于完工。它集成了2250個晶體管，每個晶體管之間的距離是10微米。它能夠在每秒鐘內(nèi)運(yùn)算6萬次，而制造成本卻不到100美元。

1974年，英特爾公司又對Intel 4004進(jìn)行了升級改進(jìn)，推出了Intel 8080芯片，它每秒能執(zhí)行29萬條指令，功能要比上一代芯片強(qiáng)大10倍！

Intel 8080芯片的誕生宣告了微型計(jì)算機(jī)和個人電腦時(shí)代的到來。從此以后，電子計(jì)算機(jī)的體積大大縮小，性能卻得到了飛躍式的提升。在它問世的第二年，比爾·蓋茨創(chuàng)辦了微軟公司，開始研發(fā)Windows系統(tǒng)。又過了一年，史蒂夫·喬布斯創(chuàng)辦了蘋果公司。人類正式跨入了處處離不開電腦的智能時(shí)代。

冷戰(zhàn)結(jié)局因它而不同

冷戰(zhàn)初期，蘇聯(lián)在太空競賽中全面領(lǐng)先。但在電子技術(shù)領(lǐng)域，蘇聯(lián)人仍然死守著陳舊的電子管技術(shù)，并一直致力于電子管的小型化。原因是晶體管的工作環(huán)境對電壓和溫度要求較高。電壓過大，會導(dǎo)致晶體管被電流擊穿報(bào)廢，而當(dāng)周圍溫度變化較大時(shí)，晶體管的性能就會出現(xiàn)故障。而且，晶體管的輸出功率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上電子管。

然而，到了20世紀(jì)70年代中期，蘇聯(lián)研究人員終于發(fā)現(xiàn)，縮小電子管的路已經(jīng)走到了盡頭。想要把電子管的體積再縮小一個數(shù)量級，其耗費(fèi)將是天文數(shù)字。而此時(shí)美國生產(chǎn)的芯片已經(jīng)可在0.5平方厘米的硅片上集成14萬個晶體管。蘇聯(lián)人在這條錯誤的道路上白白花費(fèi)了十年時(shí)間。

不久，美國就因?yàn)榧呻娐沸酒募夹g(shù)領(lǐng)先，將蘇聯(lián)遠(yuǎn)遠(yuǎn)甩開。小小的芯片，真可以稱得上是幫助美國取得冷戰(zhàn)勝利的一大“功臣”！

電子管：一種最早期的電子信號放大器。它是將一些電子線路焊在一個基座上，之后再封閉在玻璃管中做成的元件。近年來，它逐漸被集成電路所取代，但在一些高級的音響器材中，仍然會使用噪聲低、穩(wěn)定性高的電子管。

晶體管：一種用半導(dǎo)體材料制成的電子元件。由于其響應(yīng)速度快，準(zhǔn)確性高，可用于各種各樣的數(shù)字設(shè)備。晶體管可以被做得很小，并成為集成電路的一部分。它是目前世界上所有電腦、手機(jī)等電子設(shè)備內(nèi)部的基本元件。

芯片的未來

芯片這個“小方塊”還能變得更小嗎？答案是肯定的。在未來，芯片可能會變成下面這兩種樣子。

納米芯片：納米是微觀世界的長度單位。假設(shè)一根頭發(fā)的直徑是0.05毫米，把它豎著像劈柴那樣，剖成5萬根，每根的厚度大約就是一納米。也就是說，一納米就是0.000001毫米。目前，最尖端的納米芯片已經(jīng)可以做到10納米級，比有些細(xì)菌和微生物的個子還要??！這些“小家伙”將成為人類信息社會的重要骨干。

光子芯片：受到芯片的尺寸限制，計(jì)算機(jī)的功能提升變得越來越困難。因而人們預(yù)測，光子芯片將成為未來完成超高速運(yùn)算任務(wù)的主力軍。安裝了這種芯片的光子計(jì)算機(jī)，即將成為信息時(shí)代的新主角。目前，中國在這一領(lǐng)域的研究已達(dá)到世界先進(jìn)水平，一場由中國人引領(lǐng)的光子技術(shù)革命即將到來。