第1章 计算机系统概述

1.1 计算机发展历程

分类：数字计算机、模拟计算机

1.1.1 国外计算机发展概况

1. 电子管计算机：

• 几千个存储单元、每秒几千次至几万次运算
• 输入输出：穿孔卡片或纸带
• 列表项体积大、功耗高、可靠性较差
• 列表项机器语言

2. 晶体管计算机：

• 磁芯存储器、存储容量10万个存储单元以上
• 每秒数十万次到数百万次运算
• 输入输出：穿孔卡片或打印机
• 汇编语言
• 开始使用 FORTRAN、COBOL和ALGOL等高级语言

3. 集成电路计算机：

• 主存：半导体存储器，辅存：磁盘
• 外部设备、操作系统
• 每秒数百万次至数千万次运算
• 计算机类型多样化、系列化
• 微程序、流水线、并行性

4. 超大规模集成电路计算机：

• 微处理器
• MIPS （每秒10^6条指令）
• GIPS （每秒10^9条指令）
• TIPS 1每秒10^12条指令）
• 精减指令系统计算机 RISC
• 复杂指令系统计算机 CISC
• 多机并行处理与网络化
• 大规模并行处理系统、分布式系统、计算机网络

1.1.2 摩尔定律

“当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数量大约18~24个月翻一番，性能也将提升一倍。”
2013年开始逐步放缓至3年翻一番

意义与影响

（1）单个芯片集成度提高，成本变化不大，总成本明显下降
（2）高集成度芯片中，电路间距离更近，连线更短、速度快
（3）增加芯片内部的连线，减少了外部连线，可靠性提高
（4）计算机体积越来越小，减少电能消耗，适应性更好

1.1.3 集成电路工艺发展概括

集成电路生产三大环节

IC设计、IC制造、IC封测

基本光刻工艺流程

清洗、前烘、底胶、软烘、曝光、显影、坚膜、刻蚀，去胶。

光刻的基本原理

在硅片表面覆盖层具有高度光敏感性的光刻胶，用紫外光透过掩模照射到晶圆表面，被光线照射到的光刻胶发生反应，通过蚀刻曝光或未受曝光的部分来形成沟槽，然而进行沉积、蚀刻、掺杂等操作，架构出不同材质和线路，生成基础轮廓，从而实现半导体器件在晶圆表面的构建过程。

目前晶体管制程工艺最大的挑战

有效地提高晶体管开关响应速度、减少漏电。

1.1.4 我国计算机发展概况

1958年 第一台小型电子管数字计算机。
1959年 第一台大型通用电子管数字计算机
1964年 第一台441-B晶体管通用电子计算机
......
1995年 “银河一五”通用并行巨型机
......
2009年 “天河一号”超级计算机
2016年 “神威太湖之光”

Reference

谭志虎. 计算机组成原理 微课版. 北京：人民邮电出版社, 2021.02.