正文之前

寫(xiě)死寫(xiě)活的一篇課程論文，讓我去探討了下計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史。很有趣，寫(xiě)了我好幾天呢??！

正文

【摘要】

計(jì)算機(jī)的發(fā)展史，很大一部分是計(jì)算機(jī)處理器的發(fā)展史。作為人類有史以來(lái)最為精密，發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮陌l(fā)明，計(jì)算機(jī)的地位是毋庸置疑的，經(jīng)歷了從30噸的“埃尼阿克”(ENIAC)到如今重量不過(guò)幾十克的CPU，其中所代表的是人類的技藝發(fā)展，是微電子技術(shù)的爆炸式增長(zhǎng)，嚴(yán)格遵循著摩爾定律的發(fā)展曲線使我們衍生出了“云計(jì)算”，“大數(shù)據(jù)”等前所未有的信息化發(fā)展大跨步。所以本文將主要借助網(wǎng)絡(luò)文獻(xiàn)以及國(guó)外的英文資料來(lái)解析計(jì)算機(jī)處理器發(fā)展的歷程，了解人類最精美的造物的核心部分的奧秘。并且探索計(jì)算機(jī)處理器的發(fā)展歷史，可以讓我們更加直觀的了解到這些年的計(jì)算機(jī)行業(yè)的發(fā)展曲線。

【關(guān)鍵詞】計(jì)算機(jī)，處理器，發(fā)展歷史，CPU，信息化

【Abstract】

The history of computer processors is a large part of the history of computers. As the most sophisticated human invention, the greatest potential for development of inventions, the computer's status is beyond doubt. After 30 tons of Eniac (ENIAC), but now the weight of only tens of grams of CPU, which represents the development of human technology is the explosive growth of microelectronics, strictly follow the Moore's Law The curve of development has led us to come up with unprecedented strides in concept such as "cloud computing" and "big data." So this article will mainly analyze the course of the development of computer processors with the aid of online literature and foreign materials in English to understand the mysteries of the core part of mankind's most exquisite creations. And to explore the history of the development of computer processors, allows us to more intuitive understanding of the computer industry in recent years, the development curve.

【Keyword】 Computer, Processor, Development History, CPU, Information Technology

1、引言

科技是創(chuàng)造力，是社會(huì)變革的最終決定力量。但是，它又與社會(huì)制度的變革對(duì)生產(chǎn)方式和生產(chǎn)力的發(fā)展產(chǎn)生的影響所不同，科學(xué)技術(shù)是擁有讓生產(chǎn)方式發(fā)生徹底變革的動(dòng)力，而計(jì)算機(jī)處理器的誕生與發(fā)展則被譽(yù)為20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一，并且我們可以堅(jiān)信，計(jì)算機(jī)的處理器在未來(lái)的幾個(gè)世紀(jì)內(nèi)都將會(huì)大放異彩，即使若干年后人們研制出了量子計(jì)算機(jī)，也是建立在電腦處理器上的。處理器技術(shù)決定了計(jì)算機(jī)升級(jí)換代的發(fā)展速度，每一代新的處理器技術(shù)，都導(dǎo)致一代新型計(jì)算機(jī)的誕生，使數(shù)字技術(shù)擴(kuò)展到一些新的應(yīng)用領(lǐng)域；處理器技術(shù)決定了計(jì)算機(jī)小型化的實(shí)現(xiàn)程度，只有實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步微小型化，才有可能使機(jī)器變得更實(shí)用，才能適應(yīng)人類與工業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的需要；處理器技術(shù)決定了計(jì)算機(jī)普及化的應(yīng)用深度。隨著計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力不斷上身，人們獲取與制造信息的速度呈現(xiàn)爆炸式的增長(zhǎng)，現(xiàn)代人類幾天產(chǎn)生的信息量，大概與人類誕生到2000年相當(dāng)。所以“大數(shù)據(jù)”，“大數(shù)據(jù)”，“物聯(lián)網(wǎng)”等概念如雨后春筍般開(kāi)始涌現(xiàn)，而這一切都是基于我們的計(jì)算機(jī)那最核心處的一個(gè)小小處理器的。所以，我想要探索下我們的計(jì)算機(jī)處理器的發(fā)展歷程，來(lái)尋找那些為人們所不熟知的計(jì)算機(jī)往事。

2、計(jì)算機(jī)的誕生

2.1 ENIAC 埃尼阿克的誕生

世界上第一臺(tái)電子數(shù)字式計(jì)算機(jī)（此前的機(jī)械式計(jì)算機(jī)不算入此類，但是他們同樣是偉大的）于1946年2月15日在美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)正式投入運(yùn)行，它的名稱叫ENIAC(埃尼阿克)，是電子數(shù)值積分計(jì)算機(jī)(The Electronic Numberical Intergrator and Computer)的縮寫(xiě)。它由17468個(gè)電子管、6萬(wàn)個(gè)電阻器、1萬(wàn)個(gè)電容器和6000個(gè)開(kāi)關(guān)組成，重達(dá)30噸，占地160平方米，耗電174千瓦/時(shí)，耗資45萬(wàn)美元，每秒能運(yùn)行5000次加法運(yùn)算。

2.2 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的情況

為了作為參考，我下面列出近期世界上運(yùn)行速度最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)：

2017全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)榜單公布，中國(guó)“神威-太湖之光”超級(jí)計(jì)算機(jī)(無(wú)錫)以每秒125,435.9TFlop/s的峰值計(jì)算能力再次蟬聯(lián)第一名，實(shí)現(xiàn)三連冠，“天河二號(hào)”超算系統(tǒng)(廣州)以每秒54,902.4TFlop/s的峰值計(jì)算能力位居第二名。本次進(jìn)入第三的是來(lái)自瑞士國(guó)家超算中心(CSCS)的Piz Daint，采用克雷(Cray)的一套Cray XC50系統(tǒng)提供25,326.3TFlop/s的峰值計(jì)算能力。

TFlop/s： 一個(gè)TFLOPS等於每秒萬(wàn)億（=10^12）次的浮點(diǎn)運(yùn)算，浮點(diǎn)運(yùn)算比整數(shù)運(yùn)算更加費(fèi)時(shí)，一次整數(shù)運(yùn)算是由很多次的加法組合起來(lái)實(shí)現(xiàn)
當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18-24個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。換言之，每一美元所能買到的電腦性能，將每隔18-24個(gè)月翻一倍以上。這一定律揭示了信息技術(shù)進(jìn)步的速度。

2.3 計(jì)算機(jī)誕生的意義

從上面的數(shù)據(jù)可以看出來(lái)，我國(guó)的“神威·太湖之光”超級(jí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)行能力已經(jīng)保守超過(guò)當(dāng)初第一代計(jì)算機(jī)的10^15倍運(yùn)算速度，也就是千萬(wàn)億倍，可見(jiàn)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度增長(zhǎng)之快。確確實(shí)實(shí)，計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力也在嚴(yán)格的遵守著摩爾定律。

所以可以看到，我們的初代計(jì)算機(jī)主體是電子管所組成的各種開(kāi)關(guān)電路，從而實(shí)現(xiàn)了ALU（算術(shù)加法器）的設(shè)計(jì)。但是耗費(fèi)當(dāng)時(shí)的45萬(wàn)美元，體積，體重都是如此讓人望而生畏的埃尼阿克所實(shí)現(xiàn)的性能甚至不如我們現(xiàn)在丟在我們角落里面吃灰的上一代手機(jī)（智能手機(jī)之前那一代）。不過(guò)，埃尼阿克的地位是崇高的，不僅僅是它對(duì)于后世的開(kāi)創(chuàng)地位，更在于對(duì)于當(dāng)時(shí)的人們來(lái)說(shuō)是一次計(jì)算領(lǐng)域的革命，而計(jì)算，是科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)要計(jì)算，分析要計(jì)算，對(duì)于那些在各個(gè)領(lǐng)域有著無(wú)上天賦但是卻受困于計(jì)算速度的科學(xué)家，數(shù)學(xué)家們來(lái)說(shuō)，埃尼阿克簡(jiǎn)直就是上帝的福音，更有人預(yù)言，在未來(lái)計(jì)算機(jī)一定會(huì)成為世界發(fā)展的潮流，他的預(yù)言是對(duì)的，現(xiàn)在我們根本無(wú)法離開(kāi)計(jì)算機(jī)。我國(guó)祖沖之花了十年算出了圓周率后百位內(nèi)的小數(shù)，國(guó)外也有數(shù)學(xué)家話費(fèi)幾十年算出了700多位的小數(shù)點(diǎn)后位數(shù)，但是對(duì)于埃尼阿克，這一切僅需40秒。而且它有著讓人迷戀的準(zhǔn)確性，以至于當(dāng)時(shí)計(jì)算出來(lái)后發(fā)現(xiàn)國(guó)外的那個(gè)數(shù)學(xué)家第528算錯(cuò)了之后人們一致站在計(jì)算機(jī)這邊。

2.4 更早期的計(jì)算機(jī)發(fā)展

由于本論文只涉及數(shù)字式的計(jì)算機(jī)的發(fā)展更早期的機(jī)械式結(jié)合電子式的計(jì)算機(jī)并未納入說(shuō)明范圍內(nèi)，如果有興趣可以自行搜索，最早的機(jī)械式的計(jì)算機(jī)甚至可以追溯到17世紀(jì)的時(shí)候利用簡(jiǎn)單的機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行的低速度計(jì)算工具。電子管甚至都在1912年才誕生于帕洛阿托小鎮(zhèn)。

帕洛阿托小鎮(zhèn): 包括斯坦福大學(xué)的部分城市，是總部的硅谷高科技公司，包括惠普（HP）的VMware，特斯拉汽車公司，李寧，IDEO公司，Palantir技術(shù)，并已成為一個(gè)孵化器提供幾個(gè)其他的高科技公司，如蘋(píng)果公司，谷歌，臉譜，羅技， Intuit公司，太陽(yáng)微系統(tǒng)， Pinterest，和PayPal。

3、現(xiàn)代計(jì)算機(jī)處理器的發(fā)展歷程

計(jì)算機(jī)處理器是計(jì)算機(jī)絕對(duì)的靈魂，沒(méi)有計(jì)算機(jī)處理器的計(jì)算機(jī)就只是一堆零件，無(wú)法完全的統(tǒng)籌在一起，朝著一個(gè)既定目的前進(jìn)。處理器承載著可讀寫(xiě)的程序，也負(fù)擔(dān)了數(shù)據(jù)的處理任務(wù)，是計(jì)算機(jī)各個(gè)零件的交流中心。與蒸汽機(jī)、電子元件一樣，它開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)時(shí)代，而且不是能源上革命，結(jié)合當(dāng)前最流行的“互聯(lián)網(wǎng)+”概念來(lái)說(shuō)，它就是一個(gè)各個(gè)行業(yè)除舊革新的最大能源，傳統(tǒng)工業(yè)可以進(jìn)化為智能工業(yè)，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)可以進(jìn)化為互聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)（當(dāng)然，其中一個(gè)超級(jí)重要的因素—互聯(lián)網(wǎng)，我沒(méi)說(shuō)），各行各業(yè)開(kāi)始找到了新的突破口并且籍此煥然新生。下面著重介紹一下計(jì)算機(jī)處理器的發(fā)展歷程。

發(fā)展歷程： 基于計(jì)算機(jī)處理器的元器件，不過(guò)電子管時(shí)期動(dòng)輒30噸的主機(jī)體積是不是不適合說(shuō)是“處理器”？另外本歷程刨除了機(jī)械及電動(dòng)計(jì)算機(jī)歷史，從電子管時(shí)期開(kāi)始講起。因?yàn)楝F(xiàn)代計(jì)算機(jī)基本不包含機(jī)械結(jié)構(gòu)部件參與計(jì)算，并且計(jì)算能力也是天差地別。

3.1 電子管時(shí)期

1912年：美國(guó)青年發(fā)明家德.福雷斯特（L.?De Forest）在帕洛阿托小鎮(zhèn)首次發(fā)現(xiàn)了電子管的放大作用，為電子工業(yè)奠定了基礎(chǔ)，而今日的帕洛阿托小鎮(zhèn)也已成為硅谷的中心地帶。
1946 年：2月14日，美國(guó)賓西法尼亞大學(xué)摩爾學(xué)院教授莫契利（J. Mauchiy）和埃克特（J.Eckert）共同研制成功了ENIAC 計(jì)算機(jī)。這臺(tái)計(jì)算機(jī)總共安裝了17468只電子管，7200個(gè)二極管，70000多電阻器，10000多 只電容器和6000只繼電器，電路的焊接點(diǎn)多達(dá) 50萬(wàn)個(gè),機(jī)器被安裝在一排2.75米高的金屬柜里，占地面積為170平方米左右，總重量達(dá)到30噸，其運(yùn)算速度達(dá)到每秒鐘5000次加法，可以在 3/1000秒時(shí)間內(nèi)做完兩個(gè)10位數(shù)乘法。

3.2 晶體管時(shí)期

1947年：12月23號(hào)，貝爾實(shí)驗(yàn)室的肖克利 (William B. Shockley)，布拉頓(John Bardeen)，巴丁 (Walter H. Brattain)創(chuàng)造出了世界上第一只半導(dǎo)體放大器件，他們將這種器件重新命名為“晶體管” 。
1958年，美國(guó)的IBM公司制成了第一臺(tái)全部使用晶體管的計(jì)算機(jī)RCA501型。由于第二代計(jì)算機(jī)采用晶體管邏輯元件，及快速磁芯存儲(chǔ)器，計(jì)算速度從每秒幾千次提高到幾十萬(wàn)次，主存儲(chǔ)器的存貯量，從幾千提高到10萬(wàn)以上。1959年，IBM公司又生產(chǎn)出全部晶體管化的電子計(jì)算機(jī)IBM7090。晶體管時(shí)期的計(jì)算機(jī)“處理器”仍然保持著體積巨大，運(yùn)算能力欠佳的特點(diǎn)，當(dāng)然相比于電子管時(shí)期的電腦還是有了巨大的進(jìn)步了。

3.3 計(jì)算機(jī)處理器的新生---集成電路

1959年：2月6日， 來(lái)自曾開(kāi)發(fā)出第一臺(tái)晶體管收音機(jī)的TI公司的基爾比（J.?Kilby） 向美國(guó)專利局申報(bào)專利“半導(dǎo)體集成電路”。
同年7月30日，仙童公司 向美國(guó)專利局申請(qǐng)專利“半導(dǎo)體集成電路”。
1964年： 4月7日，在IBM成立50周年之際，由年僅40歲的吉恩.阿姆達(dá)爾（G. Amdahl）擔(dān)任主設(shè)計(jì)師，歷時(shí)四年研發(fā)的IBM360計(jì)算機(jī)問(wèn)世，標(biāo)志著第三代計(jì)算機(jī)的全面登場(chǎng)，這也是IBM歷史上最為成功的機(jī)型。
1971年1月，INTEL的特德.霍夫研制成功了第一枚能夠?qū)嶋H工作的微處理器4004，該處理器在面積約12平方毫米的芯片上集成了2250個(gè)晶體管，運(yùn)算能力足以超過(guò)ENICA。Intel于同年11月15日正式對(duì)外公布了這款處理器（微處理器，也就是芯片chips，貌似才是我們微電子制造技術(shù)的核心？）。這一舉措不僅改變了公司的未來(lái)，而且對(duì)整個(gè)工業(yè)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。微處理器所帶來(lái)的計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)革命，改變了這個(gè)世界。在此之前，電腦沒(méi)有合格的處理器，沒(méi)有集成電路，而是由電子管和數(shù)不清的電纜組成的龐大機(jī)器。在微處理器發(fā)展初期，最具革新意義的處理器非Intel 8080莫屬了。英特爾于1974推出了這款劃時(shí)代的處理器，立即引起了業(yè)界的轟動(dòng)。其采用了復(fù)雜的指令集以及40管腳封裝，8080的處理能力大為提高，其功能是8008的10倍，每秒能執(zhí)行29萬(wàn)條指令。是當(dāng)時(shí)世界上最先進(jìn)的微處理器，是劃時(shí)代的產(chǎn)物。其意義在于開(kāi)始了人類將智能內(nèi)嵌于電腦和無(wú)生命設(shè)備的歷程，標(biāo)志著電腦芯片技術(shù)從此開(kāi)始騰飛。

順帶一提：1972年：曾經(jīng)開(kāi)發(fā)了Unix操作系統(tǒng)的Dennis Ritchie領(lǐng)導(dǎo)開(kāi)發(fā)出C語(yǔ)言。這一計(jì)算機(jī)開(kāi)創(chuàng)了計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言編程的時(shí)刻應(yīng)該被我們銘記。

4、計(jì)算機(jī)處理器的發(fā)展曲線

計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展嚴(yán)格的遵循著“摩爾定律”，當(dāng)今世界的摩爾定律主要有以下三個(gè)版本：

• 1. 集成電路芯片上所集成的電路的數(shù)目，每隔18個(gè)月就翻一倍。
• 2. 微處理器的性能每隔18個(gè)月提高一倍，或價(jià)格下降一半。
• 3. 用一個(gè)美元所能買到的計(jì)算機(jī)性能，每隔18個(gè)月翻兩倍。

上圖中提及的大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路被我一并放入集成電路中，集成電路的計(jì)算機(jī)處理器的發(fā)展史一個(gè)短暫但是劇烈爆發(fā)的過(guò)程，短短三四十年間的發(fā)展已經(jīng)足夠讓人類的計(jì)算能力暴增數(shù)億倍。

5、計(jì)算機(jī)處理器的未來(lái)

目前的計(jì)算機(jī)CPU已經(jīng)發(fā)展到了多核處理器并行的階段，但是對(duì)于未來(lái)的計(jì)算機(jī)處理器走向何方，我們不得而知，不過(guò)可以做個(gè)小小的預(yù)測(cè)。小小的窺探一下未來(lái)的計(jì)算機(jī)是何構(gòu)架。

5.1 眾核及多核心的動(dòng)態(tài)調(diào)用和優(yōu)化

短期內(nèi)我們可以繼續(xù)用多核來(lái)延續(xù)摩爾定律的神話，但是CPU的單純疊加并不能帶來(lái)質(zhì)的變化，要跟得上摩爾定律預(yù)言的速度，必須要在別的方面做出突破。短期內(nèi)可以考慮多核之間的更多的數(shù)據(jù)交流、協(xié)調(diào)等提高部分性能，平衡功耗與性能之間的矛盾。也有3D IC技術(shù)使得我們可以脫離平面的桎梏，在三維立體空間放置芯片，采用新技術(shù)可以避免體積的高速增長(zhǎng)

5.2異構(gòu)計(jì)算和可重構(gòu)計(jì)算

異構(gòu)計(jì)算并非是處理器本身的主頻，size等的變化，而是更多的識(shí)別子任務(wù)，并且劃分資源區(qū)域，使得相同資源需求的任務(wù)會(huì)在一個(gè)區(qū)域進(jìn)行，盡可能的重用資源，使得CPU具有更好地性能平衡性能。同時(shí)支持并行計(jì)算，分布式計(jì)算，這樣都可以極大的提高計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力而對(duì)其本身的工藝增長(zhǎng)要求不高。

5.3 底層進(jìn)化

目前，石墨烯這一材料已經(jīng)開(kāi)始走入微電子制造的行業(yè)中。有人曾預(yù)言，石墨烯會(huì)取代Si成為新的計(jì)算機(jī)芯片的主力（也會(huì)是電池領(lǐng)域的主力），并且經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，石墨烯擁有相較于Si更好地性能和廣闊的多的發(fā)展空間，需要處理的問(wèn)題就是，如何協(xié)調(diào)目前世界的主流和新興技術(shù)發(fā)展需求的矛盾。這是材料方面的進(jìn)化。另外還有能源，架構(gòu)方面的進(jìn)化。如果開(kāi)發(fā)除了更加穩(wěn)定，功率更高的能源的話，那么性能與功耗之間的矛盾會(huì)減輕很多，會(huì)因此刺激一波高功耗，高性能的計(jì)算機(jī)的發(fā)展。架構(gòu)上處于比較茫然的狀態(tài)，生物單元計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)，光子芯片等眾說(shuō)紛紜，但是并未見(jiàn)到有成品出現(xiàn)，所以說(shuō)我們目前還在探索階段。

參考文獻(xiàn)

[1] 互動(dòng)百科—計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史

[2] 計(jì)算機(jī)發(fā)展的誕生與發(fā)展

[3] 畢業(yè)論文的格式

[4] 電子計(jì)算機(jī)的誕生與發(fā)展—楊小軍

[5] 量子計(jì)算機(jī)_百度百科

[6] 多核之后,CPU 的發(fā)展方向是什么? - 知乎

[7] 一文讓你深入了解CPU和異構(gòu)計(jì)算芯

[8] 仙童公司--互動(dòng)百科

正文之后

鴻篇巨制啊??！越來(lái)越佩服自己的文字功夫了。排版貌似也有不小的進(jìn)步？這就是耳濡目染有個(gè)審美比較好的妹子的好處？