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芯片令电子产品越来越聪明

2019-04-10 21:05:38 | 来源: 旅游

芯片令电子产品越来越聪明

作者:阿碧 来源:新民晚报

摩尔定律的提出者摩尔

随着智能技术的不断发展,未来的各种电子产品将越来越具有生物特征,人机融合的程度越来越深。而芯片是这些智能电子产品的关键元件。芯片的性能越好,电子产品才能越来越“聪明”。那么,究竟是谁发明了芯片?芯片是什么东西?未来芯片将如何发展?

原始的芯片

20世纪上半叶,各种电器的特征之一是十分庞大。比如,那时的电脑就很吓人,20世纪40年代的一台电脑的各种电子元件充满了一个几十平方米的房间鱼钩价格
。为什么那时的电器那么大呢?这是因为那些电器中的电子元件是用真空管制成的,那是一种被抽成真空的玻璃管,内有阴、阳两极,电子会由阴极流向阳极。1947年展台搭建公司
,美国的贝尔实验室发明了晶体管,电子仪器才开始走上逐渐“瘦身”的过程。

晶体管就像固态的真空管,制造晶体管的材料是半导体,原料包括硅、锗、砷化镓等。晶体管的出现,令工程师能设计出更多更复杂的电路。可是,体积细小的电子零件却带来另一个问题,就是需要以人手焊接把这些零件焊接在一起。但是,这是一件费力不讨好的工作,不仅要花费大量时间和金钱,失误率也很高。为此,美国军方开始推进“微模块计划”。这个计划的基本思路是将所有不同类型的电子零件制成划一的大小和形状,并在生产时加上电线。这样,在组装零件时,便可将大小划一的电阻、电容和晶体管等,像搭建积木般组装成设计的电路,免去焊接的烦恼。

1958年年初,杰克·基尔比进入“微模块计划”研究小组。随着研究的深入,基尔比认为军方的设计思路有问题,因为那不能从根本解决将大量电子零件整合成电路时的困难。于是,基尔比开始构思他自己的一套解决方案,他认为可以抛开那些电子零件,直接在一块半导体上接上电线充当多个晶体管。1958年9月,基尔比成功将一组电路安装在一片锗半导体上。人类历史上块原始的芯片产生了,它在很长一段时间内被称为半导体集成电路。基尔比因为这个发明在42年后获得了2000年诺贝尔物理学奖。

款实用芯片

1959年,英特尔公司的创始人之一诺宜斯继续改进基尔比设计的芯片,他们在硅晶体的表面铺上不同的物料来制作晶体管,并在连接处铺上一层氧化物作保护。以硅取代锗使芯片的成本大为下降,令集成电路的大规模生产变得可行。可以说,是英特尔公司设计出了款实用的芯片。到20世纪60年代末期,接近90%的电子仪器是以芯片制成。

我们现在对芯片的定义是内含集成电路的硅片。其制作方法是一次性把所有的组件(主要是晶体管)一次性地用照相印刷的方法印制在硅片上,外观看上去像是画在硅片上的电线。芯片重要的应用是充当中央处理器,也称CPU或微处理器,它是电脑和其他智能电器的运算控制部分。从20世纪60年代开始,电脑的体积越来越小,而运算速度却越来越快,功能越来越强大。这都归功于芯片对晶体管的集成度越来越高弹簧扣钉

1965年,英特尔公司的创始人之一摩尔提出了的“摩尔定律”:当价格不变时,一块芯片上可容纳的晶体管数目,约每隔18个月便会增加一倍,电脑的性能也将提升一倍。当时,摩尔的实验室也只能将50只晶体管和电阻集成在一个芯片上,他却预测1975年的芯片将会有6.5万个晶体管。摩尔当时的预测听起来好像是科学幻想,然而后来的技术发展证明摩尔是对的,1975年的确出现了集成了6.5万个晶体管的芯片。至今,的芯片已集成了17亿个晶体管。

芯片的未来之路

我们通常认为,充当微处理器的芯片只存在于电脑中。其实,微处理器已经无处不在,无论是数码相机、智能洗衣机、智能冰箱、互联电视机、智能等家电产品,还是汽车引擎控制,以及数控机床、导弹精确制导等都要嵌入各类不同的微处理器。芯片不仅是电脑的核心部件,也是各种数字化智能设备的关键部件。未来,各种智能电子产品提高性能的关键因素之一就是提高芯片的运算速度。

从芯片的发展历史我们可以看出,要提高芯片的运算速度,就得集成更多的晶体管。这正是芯片的未来发展趋势。随着纳米技术的进步,晶体管可以小到纳米尺度。这不但可以使得芯片变得更小,而且芯片上集成的晶体管数量会更多。然而,如果一块越来越小的芯片上集成越来越多的晶体管,就会带来一个很严重的问题,那就是在运算时会产生过多热量。过热会降低芯片的运算速率,甚至可能烧坏芯片。

为了解决芯片的过热问题,除了改进散热方法外,科学家还想出了新的办法,在一块芯片上集成多组小芯片,这就是现在已经出现的多核芯片。目前,运算速度快的芯片是英特尔公司生产的Xeon Phi,这块芯片居然有60个核,运算速度高达每秒1万亿次。现今国际上的超级计算机也都是采用多核芯片来建造。未来芯片的“核”会越来越多,电脑的运算速度也就越来越快。

而美国加州大学的研究人员丹尼尔·莫尔斯认为,还可从半导体本身入手来提高芯片性能。他认为得革新现有的半导体制造工艺,才可能让芯片继续加速下去。他正在试验用生物技术来制造半导体,具体做法是让海绵动物的一种硅蛋白酶突变,形成多种突变体,从中选出能够制造高性能芯片所用的半导体。丹尼尔相信,来自海绵的硅半导体芯片具有很好的生物融合性,有利于制造更加先进的生物计算机、类人机器人和智能人造器官。

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