电子时代丨CPU发展史（从真空管、晶体管、集成电路）

驾驭电子：CPU发展史

从最初的电子计算机到现在仅仅用了60年的时间，到底是是什么让性能的提升如此显著？功劳最大的当然要数从真空管到晶体管再到VLSI的电路技术的进步，下面我们就要介绍，这令人惊叹的电子时代！

　　第一代：真空管（1957年以前）

　　德福雷斯特与真空三极管

　　20世纪初，弗莱明发明了二极管。没过几年，德福雷斯特在对二极管的研究基础上，发明了真空三极管。真空三极管（triode）拥有用电子讯号控制“开关”的性能，极适合用于高速执行数字型的逻辑及算数运算，我们可以用真空三极管来控制电路的导通与断开，继而形成逻辑电路。具备了理论基础和物质基础，ENIAC的诞生也就是顺理成章的啦。

　　真空管是个抽成真空的玻璃管，阴极产生电子飞向施加了高电压的阳极，并利用阴极和阳极之间设置的细网格状电极控制电子的流量。电子管的开闭切换速度为微秒级。但是，真空管的阳极需要施加数百伏的高电压，因此耗电量巨大，而且寿命也不是特别长。不过在当时，相较于之前的机械开关的什么巴比奇差分机，人们已经对这个小东西构成的计算机十分的「依赖」啦。

　　第二代：晶体管（1958 - 1963年）

　　第一个晶体管

　　随着驾驭电子能力的进一步增强，同时半导体技术也突飞猛进，科学家终于可以在固态电子方面大施拳脚了。在极富盛名的贝尔实验室，三位伟大的科学家萧克莱（William Shockley）、约翰�巴顿（John Bardeen）和沃特�布拉顿（Walter Brattain）在1947年发明了晶体管（Bipolar transistor）。相较于真空三极管，晶体管在体积、寿命、制作工艺上都有极大的优势。由晶体管构成的计算机更小、更省电，同时运算速度也大幅度的提高。并且因为半导体材料相较于气体来说，科学家更容易控制。随着科学家对半导体研究的进一步深入，纯度和工艺越来越好，晶体管的寿命与稳定性也越来越受到一些芯片厂商的青睐。

　　第三代：集成电路（IC、LSI）（1964 - 1969年）

　　世界第一个集成电路

　　之前的电路还是分立元件构成，也就是在PCB（印刷电路板）把三极管、二极管焊接起来构成芯片。IC的发明却依赖于来自中国的神秘力量，德州扒鸡公司（大雾），其实是德州仪器（TI）公司的杰克�基尔比（Jack Kilby）啦，他在锗半导体芯片上生成了三极管等多个元件，并在元件之间用细金属连线连接，从而形成了集成电路。

　　优势是明显的！之前由分立元件构成的2500px²印刷电路板，在集成电路上只需要1mm²的芯片就可以实现相同的功能。至此，LSI将芯片技术领进了一个新的时代，下面的VLSI与LSI的界限并没有那么清晰，只是VLSI作为商家的噱头来说，更加能吸引消费者吧！

　　指尖上的IC

　　第四代：大规模集成电路（1970年以后）

　　固态电子的不断发展，从晶体管的基础上，人们又继续研究出了FET（场效应晶体管，Field-Effect Transistor），与传统的晶体管相比，控制方式由电流变成了电压，在FET的栅极上加上合适的电压，就可以控制电流。在FET中，一种叫做MOSFET（金属-氧化物半导体场效应晶体管，Metal-Oxide-Semiconductor FET），MOSFET构造简单，在一块IC上的集成密度比三极管还要高，终于，经过四代的发展，「旧时王谢堂前燕」的IC通过VLSI工艺，可以飞入寻常百姓家了！

　　Intel4004

　　1971年，Intel4004这个划时代产品出现，它使用MOSFET集成电路技术，采用了10μm工艺，集成了2300个MOSFET，别看他这么小，和祖宗ENIAC的计算能力不相上下。25年，ENIAC从30吨越跑越小，最后摇身一变进到3mm*4mm的硅芯片中，功率甚至只有不到1W！