本集重点：
- 计算机硬件性能的增长
- 晶圆的制作流程：光刻
分立元件——电子计算机的诞生年代
分立元件
- 时间：大约 1940年代~1960年代中期这段时间里，计算机都由独立部件组成，这些独立部件称作“分立元件”，再用线将不同部件连接在一起
- 实例：ENIAC 有1万7千多个真空管, 7万个电阻，1万个电容器, 7千个二极管, 5百万个手工焊点。
问题：数字暴政
定义：使用分立元件，如果想提升计算机性能，就要添加更多部件，这导致更多的线路，更加复杂，很难做，这个问题称作 数字暴政。
晶体管——计算 2.0 时代
晶体管
- 时间：1950 年代中期，晶体管开始商业化（市场上买得到），开始用在计算机里
- 优点：晶体管比电子管 更小更快更可靠。晶体管标志着”计算 2.0 时代”的到来。
- 缺点：
- 晶体管依然是分立元件，依旧没有解决没有解决”数字暴政”的问题。
- 有几十万个独立元件的计算机不但难设计，而且难生产。1960 年代，这个问题的严重性达到顶点，电脑内部常常一大堆电线缠绕在一起。
- 实例：
- 1959年，IBM 把 709 计算机从原本的电子管全部换成了晶体管，诞生的新机器 IBM 7090 速度快 6 倍，价格只有一半
- 1965 年 PDP-8 计算机的内部，一大堆线缠绕在一起：
集成电路 IC——计算 3.0 时代
集成电路 IC
- 全称：Integrated Circuits
- 定义：与其把多个独立部件用电线连起来，拼装出计算机，不如将电路的多个组件集成在一起，变成一个新的独立组件（即引入一层新的抽象，分装复杂性），这就是 集成电路 IC。
- 起源与发展：
- 1958年，在德州仪器工作的 Jack Killby 演示了一个电子部件，将电路的所有组件都集中在一起，集成电路取得突破性进展。不过，Kilby 当时用锗来做集成电路，而锗很稀少而且不稳定。
- 1959年，Robert Noyce领导的仙童半导体公司用硅做集成电路，让集成电路成为现实。硅的蕴藏量丰富，占地壳四分之一，也更稳定可靠。Noyce 被公认为现代集成电路之父，开创了电子时代，创造了硅谷。
- 起初，一个 IC 只有几个晶体管。不过，即使只有几个晶体管，也可以把简单电路（eg.第三集介绍的逻辑门）封装成单独组件
- 意义：集成电路的出现，广泛用于制作微处理器，开启了计算 3.0 时代。
印刷电路板 PCB
- 全称：printed circuit boards
- 原理：PCB 通过蚀刻金属线的方式，把零件连接到一起，可以大规模生产，而无需焊接或用一大堆线
- 优点：把 PCB 和 IC 结合使用，可以大幅减少独立组件和电线，但做到相同的功能，而且更小，更便宜，更可靠
- 发展：
- 早期，许多 IC 都是把很小的分立元件封装成一个独立单元，但是，即使组件很小，也很难塞进 5 个以上的晶体管
光刻
- 起源：为了实现更复杂的设计，需要新工艺——光刻。随着光刻技术发展，晶体管变小，密度变高
- 发展：
- 1960 年代中期，市场上开始出现超过 100 个晶体管的 IC
- Intel 4004，第一个用 IC 做的处理器，也叫微型处理器，有2300个晶体管
- 1980年，出现包含 3 万晶体管的 IC
- 1990年，出现包含 100 万晶体管的 IC
- 2000年，出现包含 3000 万晶体管的 IC
- 2010年，出现包含 10 亿晶体管的 IC
- 为了达到这种密度，光刻的分辨率从大约 一万 纳米（大概是人类头发直径的 1/10），发展到如今的 14 纳米（比血红细胞小 400 倍）
- 应用：CPU，内存、显卡、固态硬盘、摄像头感光元件等大多数电子器件都呈指数式发展
超大规模集成(VLSI)软件——计算 3.0 时代
超大规模集成(VLSI)软件
- 时间：现代工程师设计电路时，不可能人力手工一个个设计晶体管。1970年代开始，超大规模集成(VLSI)软件用来自动生成芯片设计。用比如 “逻辑综合” 这种技术可以放一整个高级组件，比如内存缓存，软件会自动生成电路，做到尽可能高效
- 意义：被许多人认为是计算 4.0 时代的开始
摩尔定律
- 定义：得益于材料和制造技术的发展，每两年左右，同样大小的空间，能塞进两倍数量的晶体管。
- 注意：摩尔定律不是定律，只是一种趋势
- 问题：摩尔定律可能正在接近终结，因为进一步做小会面临两个问题
- 光刻 用光掩膜把图案弄到晶圆上，而光的波长不足以制作更精细的设计，精度已达极限。所以科学家在研制波长更短的光源，投射更小的形状
- 当晶体管非常小，电极之间可能只距离几个原子，电子会跳过间隙，这叫：量子隧道贯穿效应。如果晶体管漏电，就不是好开关。实验室中已造出小至1纳米的晶体管，但能不能商业量产依然未知。
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