改變世界的“小方塊”

劉健

計算機的“巨人時代”

世界上最早的計算機長什么樣子？瞧，就是它！

看上去，這就是個金屬做的大盒子，怎么才能用它算算術呢？秘密就藏在這個“大盒子”里面。它里面有一系列齒輪和發條。在使用時，需要用一把鑰匙插進去，旋緊發條后，才能讓它轉動起來。而且，它只會做加法和減法。

這臺計算機的發明者是著名的法國科學家帕斯卡。他當時年僅19歲。為了幫助父親算賬，他發明了這臺最早的計算機。它一問世，就轟動了當時歐洲的科學界。從此，一代又一代的科學家投身到了對計算機的研究和制造中。

然而，隨著時代的發展，人們需要做的數學計算越來越復雜了。計算機也不能光會做加減法呀！因此人們開始著手制造計算能力更強的機器。但他們發現，要想讓機器算得多算得準，就必須讓它的結構更復雜、精密。于是，計算機的個子也就越做越大了。

到了1819年，一個英國人巴貝奇設計出了一架能夠自動計算的“差分機”，它是這個樣子的：

又過了一百多年，人們造出了用電作為能源的計算機。但新型的電子計算機仍然是個笨重的“大家伙”。因為雖然它不再使用齒輪和發條作為部件了，但卻添加了很多電子元件，還需要安裝大量的電路和導線。

這就是世界上第一臺電子計算機。它于1946年2月15日在美國賓夕法尼亞大學“誕生”，名字叫ENIAC（埃尼阿克）。它使用了17468個真空電子管，重達30噸，足足可以占滿一個房間！它每秒鐘可進行5000次加法運算，這在當時已經非常了不得了。

理工男的假期小發明

世界上的第一塊芯片是美國人杰克·基爾比的杰作。

讀大學的時候，基爾比是一個典型的“理工男”。一米九八的大個子，長著一張和善的臉，留著一頭地中海卷發，說話的速度很慢很慢。盡管不善于表達，但基爾比的動手能力卻非常強。他一直夢想像自己的父親那樣，成為一個出色的工程師。

1958年，基爾比來到位于達拉斯的德州儀器公司工作。一年前，蘇聯人成功發射了人類歷史上第一顆人造地球衛星。這讓美國政府感到了巨大的壓力。作為軍方合作企業的德州儀器公司，這時正在研制小型計算機設備。

怎么才能將計算機做得更小一些呢？基爾比為此經常冥思苦想。后來，他終于想到了一個主意，那就是把計算機的電路“集成”到同一個元件中，就可以大大減少部件的數量。為了驗證自己的構想，他利用公司休假的機會，獨自在半導體實驗室中展開研究。

經過兩個多月的努力，1958年9月12日，基爾比用全手工的方式完成了人類歷史上第一塊集成電路芯片。它由鑲嵌在一塊鍺片上的兩個電路組成，長約半英寸。基爾比親自對它進行了測試。當他緊張地檢查完連接，推上開關，一條淺綠色的模型線在屏幕上畫出了一條完美的波形，實驗成功了！

從此，杰克·基爾比成為“集成電路之父”。2000年10月10日，瑞典皇家科學院頒給他當年的諾貝爾物理學獎，以表彰他為信息技術的發展所做出的巨大貢獻。

一張訂單引發的革命

羅伯特·諾伊斯出生在美國中西部的普通鄉村。憑借著勤奮好學，他成長為一名電子設備專家，并和另外兩個朋友共同創辦了一家名叫英特爾（Intel）的公司。

1969年4月，日本的一家計算器制造商找到英特爾，希望他們為自己的產品開發專用的處理器。就這樣，世界上第一塊集成電路芯片——Intel 4004正式進入研發階段。

1971年，這塊神奇的“小方塊”終于完工。它集成了2250個晶體管，每個晶體管之間的距離是10微米。它能夠在每秒鐘內運算6萬次，而制造成本卻不到100美元。

1974年，英特爾公司又對Intel 4004進行了升級改進，推出了Intel 8080芯片，它每秒能執行29萬條指令，功能要比上一代芯片強大10倍！

Intel 8080芯片的誕生宣告了微型計算機和個人電腦時代的到來。從此以后，電子計算機的體積大大縮小，性能卻得到了飛躍式的提升。在它問世的第二年，比爾·蓋茨創辦了微軟公司，開始研發Windows系統。又過了一年，史蒂夫·喬布斯創辦了蘋果公司。人類正式跨入了處處離不開電腦的智能時代。

冷戰結局因它而不同

冷戰初期，蘇聯在太空競賽中全面領先。但在電子技術領域，蘇聯人仍然死守著陳舊的電子管技術，并一直致力于電子管的小型化。原因是晶體管的工作環境對電壓和溫度要求較高。電壓過大，會導致晶體管被電流擊穿報廢，而當周圍溫度變化較大時，晶體管的性能就會出現故障。而且，晶體管的輸出功率也遠遠比不上電子管。

然而，到了20世紀70年代中期，蘇聯研究人員終于發現，縮小電子管的路已經走到了盡頭。想要把電子管的體積再縮小一個數量級，其耗費將是天文數字。而此時美國生產的芯片已經可在0.5平方厘米的硅片上集成14萬個晶體管。蘇聯人在這條錯誤的道路上白白花費了十年時間。

不久，美國就因為集成電路芯片的技術領先，將蘇聯遠遠甩開。小小的芯片，真可以稱得上是幫助美國取得冷戰勝利的一大“功臣”！

電子管：一種最早期的電子信號放大器。它是將一些電子線路焊在一個基座上，之后再封閉在玻璃管中做成的元件。近年來，它逐漸被集成電路所取代，但在一些高級的音響器材中，仍然會使用噪聲低、穩定性高的電子管。

晶體管：一種用半導體材料制成的電子元件。由于其響應速度快，準確性高，可用于各種各樣的數字設備。晶體管可以被做得很小，并成為集成電路的一部分。它是目前世界上所有電腦、手機等電子設備內部的基本元件。

芯片的未來

芯片這個“小方塊”還能變得更小嗎？答案是肯定的。在未來，芯片可能會變成下面這兩種樣子。

納米芯片：納米是微觀世界的長度單位。假設一根頭發的直徑是0.05毫米，把它豎著像劈柴那樣，剖成5萬根，每根的厚度大約就是一納米。也就是說，一納米就是0.000001毫米。目前，最尖端的納米芯片已經可以做到10納米級，比有些細菌和微生物的個子還要小！這些“小家伙”將成為人類信息社會的重要骨干。

光子芯片：受到芯片的尺寸限制，計算機的功能提升變得越來越困難。因而人們預測，光子芯片將成為未來完成超高速運算任務的主力軍。安裝了這種芯片的光子計算機，即將成為信息時代的新主角。目前，中國在這一領域的研究已達到世界先進水平，一場由中國人引領的光子技術革命即將到來。