计算机(处理器)发展史 (PS:课程论文)

正文之前

写死写活的一篇课程论文,让我去探讨了下计算机的发展历史。很有趣,写了我好几天呢!!

正文

【摘要】

计算机的发展史,很大一部分是计算机处理器的发展史。作为人类有史以来最为精密,发展潜力最大的发明,计算机的地位是毋庸置疑的,经历了从30吨的“埃尼阿克”(ENIAC)到如今重量不过几十克的CPU,其中所代表的是人类的技艺发展,是微电子技术的爆炸式增长,严格遵循着摩尔定律的发展曲线使我们衍生出了“云计算”,“大数据”等前所未有的信息化发展大跨步。所以本文将主要借助网络文献以及国外的英文资料来解析计算机处理器发展的历程,了解人类最精美的造物的核心部分的奥秘。并且探索计算机处理器的发展历史,可以让我们更加直观的了解到这些年的计算机行业的发展曲线。

【关键词】计算机,处理器,发展历史,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

5

2、计算机的诞生

6

2.1 ENIAC 埃尼阿克的诞生

6

2.2 现代计算机的情况

6

2.3 计算机诞生的意义

7

2.4 更早期的计算机发展

8

3、现代计算机处理器的发展历程

9

3.1 电子管时期

9

3.2 晶体管时期

10

3.3 计算机处理器的新生---集成电路

10

4、计算机处理器的发展曲线

12

5、计算机计算机处理器的未来

13

5.1 众核及多核心的动态调用和优化

13

5.2异构计算和可重构计算

14

5.3 底层进化

14

参考文献

16

1、引言

科技是创造力,是社会变革的最终决定力量。但是,它又与社会制度的变革对生产方式和生产力的发展产生的影响所不同,科学技术是拥有让生产方式发生彻底变革的动力,而计算机处理器的诞生与发展则被誉为20世纪最伟大的发明之一,并且我们可以坚信,计算机的处理器在未来的几个世纪内都将会大放异彩,即使若干年后人们研制出了量子计算机,也是建立在电脑处理器上的。处理器技术决定了计算机升级换代的发展速度,每一代新的处理器技术,都导致一代新型计算机的诞生,使数字技术扩展到一些新的应用领域;处理器技术决定了计算机小型化的实现程度,只有实现进一步微小型化,才有可能使机器变得更实用,才能适应人类与工业进一步发展的需要;处理器技术决定了计算机普及化的应用深度。随着计算机的计算能力不断上身,人们获取与制造信息的速度呈现爆炸式的增长,现代人类几天产生的信息量,大概与人类诞生到2000年相当。所以“大数据”,“大数据”,“物联网”等概念如雨后春笋般开始涌现,而这一切都是基于我们的计算机那最核心处的一个小小处理器的。所以,我想要探索下我们的计算机处理器的发展历程,来寻找那些为人们所不熟知的计算机往事。

2、计算机的诞生

2.1 ENIAC 埃尼阿克的诞生

世界上第一台电子数字式计算机(此前的机械式计算机不算入此类,但是他们同样是伟大的)于1946年2月15日在美国宾夕法尼亚大学正式投入运行,它的名称叫ENIAC(埃尼阿克),是电子数值积分计算机(The Electronic Numberical Intergrator and Computer)的缩写。它由17468个电子管、6万个电阻器、1万个电容器和6000个开关组成,重达30吨,占地160平方米,耗电174千瓦/时,耗资45万美元,每秒能运行5000次加法运算。

2.2 现代计算机的情况

为了作为参考,我下面列出近期世界上运行速度最快的超级计算机的数据:

2017全球超级计算机500强榜单公布,中国“神威-太湖之光”超级计算机(无锡)以每秒125,435.9TFlop/s的峰值计算能力再次蝉联第一名,实现三连冠,“天河二号”超算系统(广州)以每秒54,902.4TFlop/s的峰值计算能力位居第二名。本次进入第三的是来自瑞士国家超算中心(CSCS)的Piz Daint,采用克雷(Cray)的一套Cray XC50系统提供25,326.3TFlop/s的峰值计算能力。

TFlop/s: 一个TFLOPS等於每秒万亿(=10^12)次的浮点运算,浮点运算比整数运算更加费时,一次整数运算是由很多次的加法组合起来实现 当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。换言之,每一美元所能买到的电脑性能,将每隔18-24个月翻一倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。

2.3 计算机诞生的意义

从上面的数据可以看出来,我国的“神威·太湖之光”超级计算机的运行能力已经保守超过当初第一代计算机的10^15倍运算速度,也就是千万亿倍,可见计算机的运算速度增长之快。确确实实,计算机的计算能力也在严格的遵守着摩尔定律。

所以可以看到,我们的初代计算机主体是电子管所组成的各种开关电路,从而实现了ALU(算术加法器)的设计。但是耗费当时的45万美元,体积,体重都是如此让人望而生畏的埃尼阿克所实现的性能甚至不如我们现在丢在我们角落里面吃灰的上一代手机(智能手机之前那一代)。不过,埃尼阿克的地位是崇高的,不仅仅是它对于后世的开创地位,更在于对于当时的人们来说是一次计算领域的革命,而计算,是科学发展的基础。实验要计算,分析要计算,对于那些在各个领域有着无上天赋但是却受困于计算速度的科学家,数学家们来说,埃尼阿克简直就是上帝的福音,更有人预言,在未来计算机一定会成为世界发展的潮流,他的预言是对的,现在我们根本无法离开计算机。我国祖冲之花了十年算出了圆周率后百位内的小数,国外也有数学家话费几十年算出了700多位的小数点后位数,但是对于埃尼阿克,这一切仅需40秒。而且它有着让人迷恋的准确性,以至于当时计算出来后发现国外的那个数学家第528算错了之后人们一致站在计算机这边。

2.4 更早期的计算机发展

由于本论文只涉及数字式的计算机的发展更早期的机械式结合电子式的计算机并未纳入说明范围内,如果有兴趣可以自行搜索,最早的机械式的计算机甚至可以追溯到17世纪的时候利用简单的机械机构进行的低速度计算工具。电子管甚至都在1912年才诞生于帕洛阿托小镇。

帕洛阿托小镇: 包括斯坦福大学的部分城市,是总部的硅谷高科技公司,包括惠普(HP)的VMware,特斯拉汽车公司,李宁,IDEO公司,Palantir技术,并已成为一个孵化器提供几个其他的高科技公司,如苹果公司,谷歌,脸谱,罗技, Intuit公司,太阳微系统, Pinterest,和PayPal。

3、现代计算机处理器的发展历程

计算机处理器是计算机绝对的灵魂,没有计算机处理器的计算机就只是一堆零件,无法完全的统筹在一起,朝着一个既定目的前进。处理器承载着可读写的程序,也负担了数据的处理任务,是计算机各个零件的交流中心。与蒸汽机、电子元件一样,它开创了一个时代,而且不是能源上革命,结合当前最流行的“互联网+”概念来说,它就是一个各个行业除旧革新的最大能源,传统工业可以进化为智能工业,传统农业可以进化为互联网农业(当然,其中一个超级重要的因素—互联网,我没说),各行各业开始找到了新的突破口并且籍此焕然新生。下面着重介绍一下计算机处理器的发展历程。

发展历程: 基于计算机处理器的元器件,不过电子管时期动辄30吨的主机体积是不是不适合说是“处理器”?另外本历程刨除了机械及电动计算机历史,从电子管时期开始讲起。因为现代计算机基本不包含机械结构部件参与计算,并且计算能力也是天差地别。

3.1 电子管时期

1912年:美国青年发明家德.福雷斯特(L.De Forest)在帕洛阿托小镇首次发现了电子管的放大作用,为电子工业奠定了基础,而今日的帕洛阿托小镇也已成为硅谷的中心地带。 1946 年:2月14日,美国宾西法尼亚大学摩尔学院教授莫契利(J. Mauchiy)和埃克特(J.Eckert)共同研制成功了ENIAC 计算机。这台计算机总共安装了17468只电子管,7200个二极管,70000多电阻器,10000多 只电容器和6000只继电器,电路的焊接点多达 50万个,机器被安装在一排2.75米高的金属柜里,占地面积为170平方米左右,总重量达到30吨,其运算速度达到每秒钟5000次加法,可以在 3/1000秒时间内做完两个10位数乘法。

3.2 晶体管时期

1947年:12月23号,贝尔实验室的肖克利 (William B. Shockley),布拉顿(John Bardeen),巴丁 (Walter H. Brattain)创造出了世界上第一只半导体放大器件,他们将这种器件重新命名为“晶体管” 。 1958年,美国的IBM公司制成了第一台全部使用晶体管的计算机RCA501型。由于第二代计算机采用晶体管逻辑元件,及快速磁芯存储器,计算速度从每秒几千次提高到几十万次,主存储器的存贮量,从几千提高到10万以上。1959年,IBM公司又生产出全部晶体管化的电子计算机IBM7090。晶体管时期的计算机“处理器”仍然保持着体积巨大,运算能力欠佳的特点,当然相比于电子管时期的电脑还是有了巨大的进步了。

3.3 计算机处理器的新生---集成电路

1959年:2月6日, 来自曾开发出第一台晶体管收音机的TI公司的基尔比(J.Kilby) 向美国专利局申报专利“半导体集成电路”。 同年7月30日,仙童公司 向美国专利局申请专利“半导体集成电路”。 1964年: 4月7日,在IBM成立50周年之际,由年仅40岁的吉恩.阿姆达尔(G. Amdahl)担任主设计师,历时四年研发的IBM360计算机问世,标志着第三代计算机的全面登场,这也是IBM历史上最为成功的机型。 1971年1月,INTEL的特德.霍夫研制成功了第一枚能够实际工作的微处理器4004,该处理器在面积约12平方毫米的芯片上集成了2250个晶体管,运算能力足以超过ENICA。Intel于同年11月15日正式对外公布了这款处理器(微处理器,也就是芯片chips,貌似才是我们微电子制造技术的核心?)。这一举措不仅改变了公司的未来,而且对整个工业产生了深远的影响。微处理器所带来的计算机和互联网革命,改变了这个世界。在此之前,电脑没有合格的处理器,没有集成电路,而是由电子管和数不清的电缆组成的庞大机器。在微处理器发展初期,最具革新意义的处理器非Intel 8080莫属了。英特尔于1974推出了这款划时代的处理器,立即引起了业界的轰动。其采用了复杂的指令集以及40管脚封装,8080的处理能力大为提高,其功能是8008的10倍,每秒能执行29万条指令。是当时世界上最先进的微处理器,是划时代的产物。其意义在于开始了人类将智能内嵌于电脑和无生命设备的历程,标志着电脑芯片技术从此开始腾飞。

顺带一提:1972年:曾经开发了Unix操作系统的DennisRitchie领导开发出C语言。这一计算机开创了计算机高级语言编程的时刻应该被我们铭记。

4、计算机处理器的发展曲线

计算机领域的发展严格的遵循着“摩尔定律”,当今世界的摩尔定律主要有以下三个版本:

    1. 集成电路芯片上所集成的电路的数目,每隔18个月就翻一倍。
    1. 微处理器的性能每隔18个月提高一倍,或价格下降一半。
    1. 用一个美元所能买到的计算机性能,每隔18个月翻两倍。

上图中提及的大规模和超大规模集成电路被我一并放入集成电路中,集成电路的计算机处理器的发展史一个短暂但是剧烈爆发的过程,短短三四十年间的发展已经足够让人类的计算能力暴增数亿倍。

5、计算机处理器的未来

目前的计算机CPU已经发展到了多核处理器并行的阶段,但是对于未来的计算机处理器走向何方,我们不得而知,不过可以做个小小的预测。小小的窥探一下未来的计算机是何构架。

5.1 众核及多核心的动态调用和优化

短期内我们可以继续用多核来延续摩尔定律的神话,但是CPU的单纯叠加并不能带来质的变化,要跟得上摩尔定律预言的速度,必须要在别的方面做出突破。短期内可以考虑多核之间的更多的数据交流、协调等提高部分性能,平衡功耗与性能之间的矛盾。也有3D IC技术使得我们可以脱离平面的桎梏,在三维立体空间放置芯片,采用新技术可以避免体积的高速增长

5.2异构计算和可重构计算

异构计算并非是处理器本身的主频,size等的变化,而是更多的识别子任务,并且划分资源区域,使得相同资源需求的任务会在一个区域进行,尽可能的重用资源,使得CPU具有更好地性能平衡性能。同时支持并行计算,分布式计算,这样都可以极大的提高计算机的计算能力而对其本身的工艺增长要求不高。

5.3 底层进化

目前,石墨烯这一材料已经开始走入微电子制造的行业中。有人曾预言,石墨烯会取代Si成为新的计算机芯片的主力(也会是电池领域的主力),并且经过实验证明,石墨烯拥有相较于Si更好地性能和广阔的多的发展空间,需要处理的问题就是,如何协调目前世界的主流和新兴技术发展需求的矛盾。这是材料方面的进化。另外还有能源,架构方面的进化。如果开发除了更加稳定,功率更高的能源的话,那么性能与功耗之间的矛盾会减轻很多,会因此刺激一波高功耗,高性能的计算机的发展。架构上处于比较茫然的状态,生物单元计算机,量子计算机,光子芯片等众说纷纭,但是并未见到有成品出现,所以说我们目前还在探索阶段。

参考文献

[1] 互动百科—计算机的发展历史

[2] 计算机发展的诞生与发展

[3] 毕业论文的格式

[4] 电子计算机的诞生与发展—杨小军

[5] 量子计算机_百度百科

[6] 多核之后,CPU 的发展方向是什么? - 知乎

[7] 一文让你深入了解CPU和异构计算芯

[8] 仙童公司--互动百科

原文发布于微信公众号 - 工科狗和生物喵(gh_3507b116a1f8)

原文发表时间:2018-03-31

本文参与腾讯云自媒体分享计划,欢迎正在阅读的你也加入,一起分享。

发表于

我来说两句

0 条评论
登录 后参与评论

相关文章

来自专栏CreateAMind

为什么强大的 MXNet 一直火不起来?

看了下mxnet,觉得很厉害的,支持各个流行的平台,支持多种语言,支持多机多GPU并行。相比起来,caffe就没这么好的支持的。既然这么好,为什么mxnet就一...

1542
来自专栏华章科技

13个大数据应用案例,告诉你最真实的大数据故事

大数据真的太神奇了,真的可以让改变一个企业的运营吗?答案是肯定的。大数据目前是当下最火热的词了,你要是不知道大数据这个概念,都不好意思在众人面前开口了。然而实际...

1672
来自专栏智能计算时代

物联网的例子和应用

任何足够先进的技术与魔术无法区分” - Arthur C. Clarke,“未来概况” ? 物联网(IoT)承诺为我们的生活带来巨大的价值。 通过继续连接我们世...

4866
来自专栏智能计算时代

物联网的例子和应用

任何足够先进的技术与魔术无法区分” - Arthur C. Clarke,“未来概况” ? 物联网(IoT)承诺为我们的生活带来巨大的价值。 通过继续连接我们世...

3066
来自专栏轮子工厂

简历修改了100遍,却仍然没有找到满意的工作,你可能需要看一下这篇文章

最近恰逢秋招,身边很多朋友都跟我抱怨说,简历投出去了不少,可是很多都是石沉大海,没有了回音。于是就急的不行,纷纷跑过来请教简历制作大法。

1112
来自专栏PPV课数据科学社区

13个大数据应用案例,告诉你最真实的大数据故事

  大数据真的太神奇了,真的可以让改变一个企业的运营吗?答案是肯定的。大数据目前是当下最火热的词了,你要是不知道大数据这个概念,都不好意思在众人面前开口了。然...

44614
来自专栏编程

编程的三个境界

由一个问题开始 作为一个信息技术专业出身的人来说,从来就没有想过这么一个问题 学习编程有什么用? 因为当时完全就是被逼的。 自从打算帮助更多的人学习编程后,很多...

1915
来自专栏大数据文摘

南埃文代尔小学的实践:增大数据获取难度竟然提高了数据利用率

1101
来自专栏PPV课数据科学社区

面向程序员的数据挖掘指南(一)

? 作者:Ron Zacharski 第一章:简介 内容: 寻找事物 本书结构 阅读完本书后你可以做些什么? 为什么数据挖掘很重要?哪些内容可以为我所用? ...

3467
来自专栏老九学堂

看过这些“传奇”程序员的故事,再也没有理由抱怨编程难!

“最后一英里”(The Last Mile)是一个风投项目,由投资人 Chris Redlitz 和他的妻子 Beverly Parenti 在2011年发起,...

1465

扫码关注云+社区

领取腾讯云代金券