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      計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及未來趨勢

      2017-12-30 04:17:09周小鵬長沙市實驗中學(xué)
      數(shù)碼世界 2017年10期
      關(guān)鍵詞:晶體管瓶頸集成電路

      周小鵬 長沙市實驗中學(xué)

      計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及未來趨勢

      周小鵬 長沙市實驗中學(xué)

      基于集成電路的計算機(jī)短期內(nèi)還不會退出歷史舞臺,新的計算機(jī)正在躍躍欲試地加緊研究。目前推出的一種新的超級計算機(jī)采用世界上速度最快的微處理器之一,并通過一種創(chuàng)新的水冷系統(tǒng)進(jìn)行冷卻,科學(xué)家已經(jīng)制造出世界上最小的計算機(jī)邏輯電路,也就是一個由單分子碳組成的雙晶體管元件。這一成果將使未來的電腦芯片變得更小、傳輸速度更快、耗電量更少。本論文從技術(shù)機(jī)的發(fā)展歷史、發(fā)展過程的瓶頸、以及未來發(fā)展的趨勢。

      計算機(jī)技術(shù) 發(fā)展歷程 計算機(jī)瓶頸

      計算機(jī)是20世紀(jì)最先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)發(fā)明之一,對人類的生產(chǎn)活動和社會活動產(chǎn)生了極其重要的影響,并以強(qiáng)大的生命力飛速發(fā)展。它的應(yīng)用領(lǐng)域從最初的軍事科研應(yīng)用擴(kuò)展到社會的各個領(lǐng)域,已形成了規(guī)模巨大的計算機(jī)產(chǎn)業(yè),帶動了全球范圍的技術(shù)進(jìn)步,由此引發(fā)了深刻的社會變革,計算機(jī)已遍及一般學(xué)校、企事業(yè)單位,進(jìn)入尋常百姓家,成為信息社會中必不可少的工具。

      1 計算機(jī)技術(shù)發(fā)展歷程

      電子管計算機(jī)時代(1943—1957年)

      20世紀(jì)40年代是電子計算機(jī)的誕生期。1943年英國推出了一款可編程的計算機(jī),主要用于破譯德國的密碼,該裝置包括了2400個真空電子管,每秒能解譯5000個字符。

      晶體管計算機(jī)時代(1958—1964年)

      1947年,貝爾實驗室的威廉.肖克利、約翰.巴丁和沃爾特?布拉頓發(fā)明了晶體管,開辟了電子時代新紀(jì)元。

      集成電路計算機(jī)時代(1964--1972年)

      1958年美國得克薩斯州的工程師杰克.基爾比發(fā)明了集成電路(IC),多種電子元件被集成到單一的半導(dǎo)體芯片上。

      大規(guī)模集成電路計算機(jī)時代(1972一至今)

      1971年11月15 日,霍夫在INTEL公司開發(fā)成功第一塊微處理器4004,含2300個晶體管,這是一個4位系統(tǒng),時鐘頻率108kHz,每秒執(zhí)行6萬條指令。

      這標(biāo)志著大規(guī)模集成電路(LSI)時代的開始。

      從技術(shù)機(jī)技術(shù)發(fā)展歷程不難看出,電子管計算機(jī)時代的跨度在14年,晶體管計算機(jī)時代的跨度為6年,集成電路計算機(jī)時代的跨度6年,而大規(guī)模集成電路計算機(jī)時代已經(jīng)經(jīng)歷了45年,大規(guī)模集成電路的發(fā)展推動半導(dǎo)體芯片的集成度更高,每塊芯片可容納數(shù)萬乃至數(shù)百萬個晶體管,并且可以把運(yùn)算器和控制器都集中在一個芯片上、從而出現(xiàn)了微處理器,并且可以用微處理器和大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路組裝成微型計算機(jī),這才能讓計算機(jī)普及到我們生活。當(dāng)代計算機(jī)的革新所面臨的問題,所遇到的瓶頸,也是需要研究和深思。

      2 計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展瓶頸

      (1)CPU運(yùn)行速速與載體之間的傳輸媒介之間的瓶頸。

      CPU和主板之間傳輸材質(zhì),新型材料的引入、主板之間的合理的布局,元器件的優(yōu)化等方式解決。

      (2)隨機(jī)存儲器RAM存儲速度和CPU運(yùn)行速度的瓶頸。

      雖然半導(dǎo)體設(shè)計制造工藝越來越先進(jìn),單個芯片內(nèi)部能集成的存貯單元越來越多,但是RAM的絕對存取速度并沒有明顯地提高。目前大部分計算機(jī)通過采用靜態(tài)RAM代替動態(tài)RAM以提高速度。相比動態(tài)RAM而言靜態(tài)RAM的集成度低,對于同樣的存儲容量占用的空間大,但它不像動態(tài)RAM芯片需定時刷新。

      (3)高速超導(dǎo)、激光、分子、量子的引入將革新計算速度和存儲方式。

      (4)采用多CPU以提高整機(jī)的運(yùn)行速度。

      多CPU系統(tǒng)某一時刻雖然都在運(yùn)行,但它們完成的是各自獨(dú)立的操作。而并行機(jī)中的各CPU交互并行地協(xié)同工作,即在同一時刻應(yīng)完成相同的操作,多處理器計算機(jī)雖然使整機(jī)運(yùn)行速度大為提高,但與并行機(jī)不屬于同一概念。

      (5)生物計算機(jī)主要是以生物電子元件構(gòu)建的計算機(jī)。它利用蛋白質(zhì)有開關(guān)特性,用蛋白質(zhì)分子作元件從而制成的生物芯片。生物電子原件的引入將使運(yùn)算速度大大超過人腦的思維速度。

      (6)液冷、存儲制冷、高效能電源、高效能散熱也是提升CPU運(yùn)行速度的因素。

      (7)外部負(fù)載情況動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)狀態(tài)、實施部分節(jié)點(diǎn)或部件的休眠;根據(jù)各進(jìn)程能耗的不同對CPU任務(wù)隊列進(jìn)行調(diào)整,如將一些產(chǎn)生較多熱量的任務(wù)從溫度較高的CPU上遷移到溫度較低的CPU上從而實現(xiàn)能耗的均衡。

      3 計算機(jī)技術(shù)發(fā)展未來趨勢

      (1)巨型化。為滿足國防、氣象、地質(zhì)等領(lǐng)域的尖端需要,計算機(jī)的性能將會逐步提高,不斷出現(xiàn)速度更快、精度更高、容量更大的巨型計算機(jī)。

      (2)微型化。隨著集成電路技術(shù)及存儲技術(shù)的發(fā)展,計算機(jī)元器件的體積可以變得越來越小,目前已出現(xiàn)了具有文件存儲和聯(lián)網(wǎng)功能的“掌上電腦”。

      (3)網(wǎng)絡(luò)化。網(wǎng)絡(luò)化可以滿足人們信息共享的需要,使地球真正變成一個村落。目前,32位的網(wǎng)絡(luò)地址資源很快即將耗盡,人們正在開發(fā)128位地址的“下一代互聯(lián)網(wǎng)”。在不久的將來,不僅可以實現(xiàn)計算機(jī)之間的聯(lián)網(wǎng),還會實現(xiàn)計算機(jī)與家庭轎車、家用冰箱、電視、樓宇門窗等生活設(shè)施的聯(lián)網(wǎng)。

      (4)智能化。盡管智能化技術(shù)目前還不成熟,但這是計算機(jī)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。一些發(fā)達(dá)國家正在開發(fā)研制以智能化為特征的第五代計算機(jī),隨著人腦秘密的破解,第五代計算機(jī)將會發(fā)生一個質(zhì)的飛躍。

      (5)多媒體技術(shù)。多媒體技術(shù)目前已經(jīng)有了較廣泛的應(yīng)用,但仍是一個研究熱點(diǎn)。未來計算機(jī)的發(fā)展將會更便捷地處理各類媒體信息,以滿足人們信息共享的需要。

      (6)并行處理計算機(jī)。馮.諾依曼結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)的“程序存儲和控制”是一種串行機(jī)制,已成為進(jìn)一步提高計算機(jī)性能的制約因素,采用并行處理結(jié)構(gòu)可大大提高計算機(jī)性能?!癉NA計算機(jī)”“光子計算機(jī)”和“神經(jīng)元計算機(jī)”都屬于研制中的并行處理計算機(jī)。

      4 結(jié)語

      隨著經(jīng)濟(jì)政治制度的不斷發(fā)展,相應(yīng)推動計算機(jī)的發(fā)展,計算機(jī)技術(shù)給社會帶來了巨大的變革,給人們的生活、工作、學(xué)習(xí)帶來了極大的便利。雖然計算機(jī)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟,但是它仍具有很大的發(fā)展空間。

      [1]楊劍編.數(shù)字邊疆的權(quán)力與財富[M].上海:上海人民出版社,2012:16.

      [2]魏權(quán)利.微型計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與瓶頸[J].青島科技大學(xué)學(xué)報,2000:2.

      [3]崔發(fā)周.計算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)教程[M].天津:天津科學(xué)技術(shù)出版社 ,2008:2.

      周小鵬,姓別:男,民族:漢族,籍貫:湖南省株洲市,單位:長沙市實驗中學(xué),職稱:學(xué)生,學(xué)歷:高中,研究方向:專業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)方面。

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