集成電路計算機（美國德州儀器研發(fā)的計算機）

簡介

60年代初期，美國的基爾比和諾伊斯發(fā)明了集成電路，引發(fā)了電路設(shè)計革命。隨后，集成電路的集成度以每3-4年提高一個數(shù)量級的速度增長。集成電路（Integrated Circuit，簡稱r）是做在晶片上的一個完整的電子電路，這個晶片比手指甲還小，卻包含了幾千個晶體管元件。1962年1月，IBM公司采用雙極型集成電路。生產(chǎn)了IBM360系列計算機。一些小型計算機在程序設(shè)計技術(shù)方面形成了三個獨立的系統(tǒng)：操作系統(tǒng)、編譯系統(tǒng)和應(yīng)用程序，總稱為軟件。值得一提的是，操作系統(tǒng)中"多道程序"和"分時系統(tǒng)"等概念的提出，結(jié)合計算機終端設(shè)備的廣泛使用，使得用戶可以在自己的辦公室或家中使用遠程計算機。第三代計算機的特點是體積更小、價格更低、可靠性更高、計算速度更快。

發(fā)展歷程

微型機測控裝置地線連接示意圖

1964年4月7日，IBM公司研制成功世界上第一個采用集成電路的通用計算機IBM 360系統(tǒng)，它兼顧了科學(xué)計算和事務(wù)處理兩方面的應(yīng)用。IBM 360系列計算機是最早使用集成電路的通用計算機系列，它開創(chuàng)了民用計算機使用集成電路的先例，計算機從此進入了集成電路時代。與第二代計算機（晶體管計算機）相比，它體積更小、價格更低、可靠性更高、計算速度更快。IBM 360成為第三代計算機（集成電路計算機）的里程碑。

此后，集成電路的發(fā)展為微型計算機的出現(xiàn)和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1971年，Intel公司研制成功世界上第一款微處理器4004，基于微處理器的微型計算機時代從此開始。1975年1月，美國MITS公司推出了首臺通用型Altair 8800計算機，它采用了Intel 8080微處理器，是世界上第一臺微型計算機。

進入80年代，集成電路設(shè)計及加工技術(shù)的飛躍發(fā)展使得微型計算機機躍上新的臺階。1981年8月12日，IBM正式推出IBM 5150，采用Intel的8088 CPU，主頻為4.77MHz，存儲容量為16KB，操作系統(tǒng)為微軟的DOS

1.0。IBM將其稱為Personal Computer（個人計算機）。不久，“個人計算機”（PC）成為所有個人計算機及微型計算機的代名詞。

此后，隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，計算機的體積繼續(xù)縮小，各方面的性能飛速提高，而價格卻不斷下跌，計算機走進人們生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域。1993年Intel公司推出了第五代微處理器Pentium（中文名“奔騰”），它的集成度已經(jīng)達到310萬個晶體管，主頻已達66MHz，計算機從此進入“奔騰”時代。目前，計算機中CPU的主頻已經(jīng)達數(shù)GHz，內(nèi)存也已達數(shù)Gb?？梢院敛豢鋸埖卣f，沒有集成電路就沒有現(xiàn)在的微型計算機。

集成電路輔助設(shè)計

集成電路

集成電路的計算機輔助設(shè)計方法是60年代后期發(fā)展起來的。當時，大規(guī)模集成電路剛剛開始發(fā)展，由于每個芯片上的晶體管數(shù)目日益增多，電路的復(fù)雜性與日俱增，使得人工分析、計算電路性能和人工設(shè)計版圖越來越困難。不僅設(shè)計周期長，消耗大量的人力，而且版圖的正確性也很難保證，因此提出用計算機協(xié)助人設(shè)計集成電路版圖和分析集成電路性能的方法。利用計算機快速運算和處理大量數(shù)據(jù)的能力，只要總結(jié)出設(shè)計原則和設(shè)計方法，便可通過編制計算機程序?qū)崿F(xiàn)這些設(shè)計原則和方法。在計算機輔助設(shè)計時，只要以一定格式輸入較簡單的原始數(shù)據(jù)，計算機就能設(shè)計出正確的版圖。但是，集成電路尚不能實現(xiàn)全自動設(shè)計，在整個設(shè)計過程中需要設(shè)計人員不斷進行干預(yù)。要反復(fù)對設(shè)計的結(jié)果進行分析比較，選取較優(yōu)方案，然后進行下一步設(shè)計。計算機輔助設(shè)計不僅能縮短設(shè)計周期，而且易于查出錯誤，降低設(shè)計成本，已成為大規(guī)模集成技術(shù)的重要組成部分。

集成電路計算機輔助設(shè)計的內(nèi)容很多，幾乎在設(shè)計過程的各個階段都研究出了計算機輔助設(shè)計的方法。其主要內(nèi)容有系統(tǒng)分劃和模擬、邏輯模擬、電路分析和模擬、工藝模擬、器件性能模擬、版圖設(shè)計、版圖驗證、輔助制版等，并有相應(yīng)的各種描述語言和各種數(shù)據(jù)庫，如單元版圖數(shù)據(jù)庫、器件參數(shù)數(shù)據(jù)庫等。

系統(tǒng)分劃和模擬是對整個系統(tǒng)的設(shè)計。由于超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，一個完整的電子系統(tǒng)往往只需不太多的集成電路就可實現(xiàn)全部功能。因此，首先從整個系統(tǒng)分析出發(fā)，按照功能決定最合理和最經(jīng)濟的芯片劃分方案，并有計算機模擬。邏輯模擬是以確定芯片的邏輯電路進行的，檢查是否達到原定功能的要求。邏輯模擬有門級模擬、寄存器級模擬和功能級模擬。電路分析和模擬是對已選定的電路進行電學(xué)性能的分析和模擬，包括靜態(tài)、動態(tài)和容差分析，并有最佳中心值的設(shè)計。電路分析需要器件的電學(xué)特性參數(shù)，這些參數(shù)可以由工藝模擬和器件性能模擬等程序提供。這樣，就能確定未來芯片加工的工藝條件。另一種提供器件電學(xué)特性參數(shù)的方法是通過器件參數(shù)自動提取程序，它是實際測定器件特性通過程序提取電路分析所需的器件電學(xué)特性參數(shù)。一般后一方法更合理和切合實際。

版圖設(shè)計是根據(jù)電路分析的結(jié)果，選定出正確的電路圖，然后按照器件性能的要求對器件圖形進行的，把各器件安放在版圖中的一定位置上，并按線路圖進行互連。這是集成電路、特別是大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路設(shè)計中最費時的一項工作，也是集成電路計算機輔助設(shè)計中最重要的一個環(huán)節(jié)。版圖設(shè)計有人機交互式設(shè)計和自動設(shè)計兩種方法，一般設(shè)計時結(jié)合使用這兩種方法。但是為提高版圖設(shè)計的工作效率，則必須建立單元版圖的數(shù)據(jù)庫。

設(shè)計完成的版圖可能有錯誤，而用人工查錯又是一件既費時又艱苦的工作。通過計算機輔助查錯效果良好，這就是版圖校驗程序。這種校驗程序不僅能查出幾何圖形的錯誤，而且還能把連線和隔離等的寄生效應(yīng)考慮進去，校正原設(shè)計不合理的部分。校對正確無誤后的版圖數(shù)據(jù)，通過計算機輔助制版程序送繪（刻）圖機或圖形發(fā)生器，或電子束曝光機制出集成電路所需的掩模版。

對制成的集成電路還需要進行測試，測試工作艱巨而繁復(fù)，現(xiàn)代也都用計算機輔助測試來完成，以提高工作效率。關(guān)于提高測試效率，在電路的設(shè)計階段就已考慮，稱為可測性設(shè)計。因此，計算機輔助測試從廣義上來說也是計算機輔助設(shè)計的一部分。

超大規(guī)模集成電路計算機

第一階段是1971～1973年，微處理器有4004、4040、8008。 1971年Intel公司研制出MCS4微型計算機（CPU為4040，四位機）。后來又推出以8008為核心的MCS-8型。

第二階段是1973～1977年，微型計算機的發(fā)展和改進階段。微處理器有8080、8085、M6800、Z80。初期產(chǎn)品有Intel公司的MCS一80型（CPU為8080，八位機）。后期有TRS-80型（CPU為Z80）和APPLE-II型（CPU為6502），在八十年代初期曾一度風靡世界。

第三階段是1978～1983年，十六位微型計算機的發(fā)展階段，微處理器有8086、808880186、80286、M68000、Z8000。微型計算機代表產(chǎn)品是IBM-PC（CPU為8086）。本階段的頂峰產(chǎn)品是APPLE公司的Macintosh（1984年）和IBM公司的PC/AT286（1986年）微型計算機。

第四階段便是從1983年開始為32位微型計算機的發(fā)展階段。微處理器相繼推出80386、80486。386、486微型計算機是初期產(chǎn)品。 1993年， Intel公司推出了Pentium或稱P5（中文譯名為“奔騰”）的微處理器，它具有64位的內(nèi)部數(shù)據(jù)通道?，F(xiàn)在Pentium III（也有人稱P7）微處理器己成為了主流產(chǎn)品，預(yù)計Pentium IV 將在2000年10月推出。

由此可見，微型計算機的性能主要取決于它的核心器件——微處理器（CPU）的性能。

我國最早的百萬次集成電路計算機

1973年，楊芙清主持研制成功我國第一臺百萬次集成電路電子計算機——150機操作系統(tǒng)，這是由楊芙清院士主持研發(fā)的我國第一個多道運行操作系統(tǒng)。

年初，由北京大學(xué)、北京有線電廠和燃化部等有關(guān)單位共同研制成功中國第一臺百萬次集成電路電子計算機，字長48位，存儲容量13KB。1月，第四機械工業(yè)部在北京召開了“電子計算機首次專業(yè)會議”，確定把發(fā)展系列機作為當前發(fā)展方向。 5月，借鑒美國通用數(shù)據(jù)機器公司的16位小型機的技術(shù)，硬件自行設(shè)計，軟件兼容，DJS100計算機研制成功。到1973年止，我國原四機部系統(tǒng)共生產(chǎn)了數(shù)字計算機250臺，模擬計算機323臺，機床控制設(shè)備133臺，臺式計算機1520臺，在30多個行業(yè)得到應(yīng)用。

大規(guī)模集成電路計算機

大規(guī)模集成電路 大規(guī)模集成電路（LSI）可以在一個芯片上容納幾百個元件。到了 80 年代，超大規(guī)模集成電路（VLSI）在芯片上容納了幾十萬個元件，后來的甚大規(guī)模集成電路（ULSI）上將數(shù)量擴充到百萬級。可以在硬幣大小的芯片上容納如此數(shù)量的元件使得計算機的體積和價格不斷下降，而功能和可靠性不斷增強。 70 年代中期，計算機制造商開始將計算機帶給普通消費者，這時的小型機帶有友好界面的軟件包，供非專業(yè)人員使用的程序和最受歡迎的字處理和電子表格程序。 1981 年， IBM 推出個人計算機（PC）用于家庭、辦公室和學(xué)校。 80 年代個人計算機的競爭使得價格不斷下跌，微機的擁有量不斷增加，計算機繼續(xù)縮小體積。與 IBM PC 競爭的 Apple Macintosh 系列于 1984 年推出， Macintosh 提供了友好的圖形界面，用戶可以用鼠標方便地操作。20世紀90年代，電腦向“智能”方向發(fā)展，制造出與人腦相似的電腦，可以進行思維、學(xué)習、記憶、網(wǎng)絡(luò)通信等工作。進入21世紀，電腦更是筆記本化、微型化和專業(yè)化，每秒運算速度超過100萬次，不但操作簡易、價格便宜，而且可以代替人們的部分腦力勞動，甚至在某些方面擴展了人的智能。于是，今天的微型電子計算機就被形象地稱做電腦了。