集成电路计算机

1964年到1972年的计算机

1958年，美国德州仪器的工程师Jack Kilby发明了集成电路（IC），将三种电子元件结合到一片小小的硅片上。更多的元件集成到单一的半导体芯片上，计算机变得更小，功耗更低，速度更快。这一时期的发展还包括使用了操作系统，使得计算机在中心程序的控制协调下可以同时运行许多不同的程序。1964年—1972年的计算机叫集成电路计算机。

简介

60年代初期，美国的基尔比和诺伊斯发明了集成电路，引发了电路设计革命。随后，集成电路的集成度以每3-4年提高一个数量级的速度增长。集成电路（Integrated Circuit，简称r）是做在晶片上的一个完整的电子电路，这个晶片比手指甲还小，却包含了几千个晶体管元件。1962年1月，IBM公司采用双极型集成电路。生产了IBM360系列计算机。一些小型计算机在程序设计技术方面形成了三个独立的系统：操作系统、编译系统和应用程序多道程序分时系统终端设备的广泛使用，使得用户可以在自己的办公室或家中使用远程计算机。第三代计算机的特点是体积更小、价格更低、可靠性更高、计算速度更快。

发展历程

集成电路发展初期最重要的应用领域是计算机技术领域。第三代计算机的发展是建立在集成电路技术基础上的，其硬件的各个组成部分，从微处理器、存储器到输入、输出设备，都是集成电路技术的结晶。

1964年4月7日，IBM公司研制成功世界上第一个采用集成电路的通用计算机IBM 360系统，它兼顾了科学计算和事务处理两方面的应用。IBM 360系列计算机是最早使用集成电路的通用计算机系列，它开创了民用计算机使用集成电路的先例，计算机从此进入了集成电路时代。与第二代计算机（晶体管计算机）相比，它体积更小、价格更低、可靠性更高、计算速度更快。IBM 360成为第三代计算机（集成电路计算机）的里程碑。

此后，集成电路的发展为微型计算机的出现和发展奠定了基础。1971年，Intel公司研制成功世界上第一款微处理器4004，基于微处理器的微型计算机时代从此开始。1975年1月，美国MITS公司推出了首台通用型Altair 8800计算机，它采用了Intel 8080微处理器，是世界上第一台微型计算机。

进入80年代，集成电路设计及加工技术的飞跃发展使得微型计算机机跃上新的台阶。1981年8月12日，IBM正式推出IBM 5150，采用Intel的8088 CPU，主频为4.77MHz，存储容量为16KB，操作系统为微软的DOS

1.0。IBM将其称为Personal Computer（个人计算机）。不久，“个人计算机”（PC）成为所有个人计算机及微型计算机的代名词。

此后，随着集成电路技术的发展，计算机的体积继续缩小，各方面的性能飞速提高，而价格却不断下跌，计算机走进人们生产生活的各个领域。1993年Intel公司推出了第五代微处理器Pentium（中文名“奔腾”），它的集成度已经达到310万个晶体管，主频已达66MHz，计算机从此进入“奔腾”时代。目前，计算机中CPU的主频已经达数GHz，内存也已达数Gb。可以毫不夸张地说，没有集成电路就没有现在的微型计算机。

集成电路辅助设计

利用计算机具有快速运算和大容量存储数据的功能，帮助人们设计各种复杂产品的方法。实现这种设计方法的物质基础是计算机辅助设计系统，它包括计算机本身和辅助设计所需的外部设备和软件系统。集成电路有独特的计算机辅助设计方法和相应的计算机辅助设计系统。

集成电路的计算机辅助设计方法是60年代后期发展起来的。当时，大规模集成电路刚刚开始发展，由于每个芯片上的晶体管数目日益增多，电路的复杂性与日俱增，使得人工分析、计算电路性能和人工设计版图越来越困难。不仅设计周期长，消耗大量的人力，而且版图的正确性也很难保证，因此提出用计算机协助人设计集成电路版图和分析集成电路性能的方法。利用计算机快速运算和处理大量数据的能力，只要总结出设计原则和设计方法，便可通过编制计算机程序实现这些设计原则和方法。在计算机辅助设计时，只要以一定格式输入较简单的原始数据，计算机就能设计出正确的版图。但是，集成电路尚不能实现全自动设计，在整个设计过程中需要设计人员不断进行干预。要反复对设计的结果进行分析比较，选取较优方案，然后进行下一步设计。计算机辅助设计不仅能缩短设计周期，而且易于查出错误，降低设计成本，已成为大规模集成技术的重要组成部分。

集成电路计算机辅助设计的内容很多，几乎在设计过程的各个阶段都研究出了计算机辅助设计的方法。其主要内容有系统分划和模拟、逻辑模拟、电路分析和模拟、工艺模拟、器件性能模拟、版图设计、版图验证、辅助制版等，并有相应的各种描述语言和各种数据库，如单元版图数据库、器件参数数据库等。

系统分划和模拟是对整个系统的设计。由于超大规模集成电路的发展，一个完整的电子系统往往只需不太多的集成电路就可实现全部功能。因此，首先从整个系统分析出发，按照功能决定最合理和最经济的芯片划分方案，并有计算机模拟。逻辑模拟是以确定芯片的逻辑电路进行的，检查是否达到原定功能的要求。逻辑模拟有门级模拟、寄存器级模拟和功能级模拟。电路分析和模拟是对已选定的电路进行电学性能的分析和模拟，包括静态、动态和容差分析，并有最佳中心值的设计。电路分析需要器件的电学特性参数，这些参数可以由工艺模拟和器件性能模拟等程序提供。这样，就能确定未来芯片加工的工艺条件。另一种提供器件电学特性参数的方法是通过器件参数自动提取程序，它是实际测定器件特性通过程序提取电路分析所需的器件电学特性参数。一般后一方法更合理和切合实际。

版图设计是根据电路分析的结果，选定出正确的电路图，然后按照器件性能的要求对器件图形进行的，把各器件安放在版图中的一定位置上，并按线路图进行互连。这是集成电路、特别是大规模和超大规模集成电路设计中最费时的一项工作，也是集成电路计算机辅助设计中最重要的一个环节。版图设计有人机交互式设计和自动设计两种方法，一般设计时结合使用这两种方法。但是为提高版图设计的工作效率，则必须建立单元版图的数据库。

设计完成的版图可能有错误，而用人工查错又是一件既费时又艰苦的工作。通过计算机辅助查错效果良好，这就是版图校验程序。这种校验程序不仅能查出几何图形的错误，而且还能把连线和隔离等的寄生效应考虑进去，校正原设计不合理的部分。校对正确无误后的版图数据，通过计算机辅助制版程序送绘（刻）图机或图形发生器，或电子束曝光机制出集成电路所需的掩模版。

对制成的集成电路还需要进行测试，测试工作艰巨而繁复，现代也都用计算机辅助测试来完成，以提高工作效率。关于提高测试效率，在电路的设计阶段就已考虑，称为可测性设计。因此，计算机辅助测试从广义上来说也是计算机辅助设计的一部分。

超大规模集成电路计算机

第一阶段

第一阶段是1971～1973年，微处理器有4004、4040、8008。 1971年Intel公司研制出MCS4微型计算机（CPU为4040，四位机）。后来又推出以8008为核心的MCS-8型。

第二阶段

第二阶段是1973～1977年，微型计算机的发展和改进阶段。微处理器有8080、8085、M6800、Z80。初期产品有Intel公司的MCS一80型（CPU为8080，八位机）。后期有TRS-80型（CPU为Z80）和APPLE-II型（CPU为6502），在八十年代初期曾一度风靡世界。

第三阶段

第三阶段是1978～1983年，十六位微型计算机的发展阶段，微处理器有8086、808880186、80286、M68000、Z8000。微型计算机代表产品是IBM-PC（CPU为8086）。本阶段的顶峰产品是APPLE公司的Macintosh（1984年）和IBM公司的PC/AT286（1986年）微型计算机。

第四阶段

第四阶段便是从1983年开始为32位微型计算机的发展阶段。微处理器相继推出80386、80486。386、486微型计算机是初期产品。 1993年， Intel公司推出了Pentium或称P5（中文译名为“奔腾”）的微处理器，它具有64位的内部数据通道。现在Pentium III（也有人称P7）微处理器己成为了主流产品，Pentium IV 在2000年11月推出。

由此可见，微型计算机的性能主要取决于它的核心器件——微处理器（CPU）的性能。

我国最早的百万次集成电路计算机

1973年,杨芙清主持研制成功我国第一台百万次集成电路电子计算机——150机操作系统,这是由杨芙清院士主持研发的我国第一个多道运行操作系统。

年初，由北京大学、北京有线电厂和燃化部等有关单位共同研制成功中国第一台百万次集成电路电子计算机，字长48位，存储容量13KB。1月，第四机械工业部在北京召开了“电子计算机首次专业会议”，确定把发展系列机作为当前发展方向。 5月，借鉴美国通用数据机器公司的16位小型机的技术，硬件自行设计，软件兼容，DJS100计算机研制成功。到1973年止，我国原四机部系统共生产了数字计算机250台，模拟计算机323台，机床控制设备133台，台式计算机1520台，在30多个行业得到应用。

大规模集成电路计算机

大规模集成电路大规模集成电路（LSI）可以在一个芯片上容纳几百个元件。到了 80 年代，超大规模集成电路（VLSI）在芯片上容纳了几十万个元件，后来的甚大规模集成电路（ULSI）上将数量扩充到百万级。可以在硬币大小的芯片上容纳如此数量的元件使得计算机的体积和价格不断下降，而功能和可靠性不断增强。 70 年代中期，计算机制造商开始将计算机带给普通消费者，这时的小型机带有友好界面的软件包，供非专业人员使用的程序和最受欢迎的字处理和电子表格程序。 1981 年， IBM 推出个人计算机（PC）用于家庭、办公室和学校。 80 年代个人计算机的竞争使得价格不断下跌，微机的拥有量不断增加，计算机继续缩小体积。与 IBM PC 竞争的 Apple Macintosh 系列于 1984 年推出， Macintosh 提供了友好的图形界面，用户可以用鼠标方便地操作。20世纪90年代，电脑向“智能”方向发展，制造出与人脑相似的电脑，可以进行思维、学习、记忆、网络通信等工作。进入21世纪，电脑更是笔记本化、微型化和专业化，每秒运算速度超过100万次，不但操作简易、价格便宜，而且可以代替人们的部分脑力劳动，甚至在某些方面扩展了人的智能。于是，今天的微型电子计算机就被形象地称做电脑了。

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