集成電路計(jì)算機(jī)（美國德州儀器研發(fā)的計(jì)算機(jī)）

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(jì)革命。隨后，集成電路的集成度以每3-4年提高一個(gè)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(gè)完整的電子電路，這個(gè)晶片比手指甲還小，卻包含了幾千個(gè)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(jì)算機(jī)。一些小型計(jì)算機(jī)在程序設(shè)計(jì)技術(shù)方面形成了三個(gè)獨(dú)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(shí)系統(tǒng)"等概念的提出，結(jié)合計(jì)算機(jī)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(yuǎn)程計(jì)算機(jī)。第三代計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)是體積更小、價(jià)格更低、可靠性更高、計(jì)算速度更快。

發(fā)展歷程

微型機(jī)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(gè)采用集成電路的通用計(jì)算機(jī)IBM 360系統(tǒng)，它兼顧了科學(xué)計(jì)算和事務(wù)處理兩方面的應(yīng)用。IBM 360系列計(jì)算機(jī)是最早使用集成電路的通用計(jì)算機(jī)系列，它開創(chuàng)了民用計(jì)算機(jī)使用集成電路的先例，計(jì)算機(jī)從此進(jìn)入了集成電路時(shí)代。與第二代計(jì)算機(jī)（晶體管計(jì)算機(jī)）相比，它體積更小、價(jià)格更低、可靠性更高、計(jì)算速度更快。IBM 360成為第三代計(jì)算機(jī)（集成電路計(jì)算機(jī)）的里程碑。

此后，集成電路的發(fā)展為微型計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)時(shí)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(jì)算機(jī)，它采用了Intel 8080微處理器，是世界上第一臺微型計(jì)算機(jī)。

進(jìn)入80年代，集成電路設(shè)計(jì)及加工技術(shù)的飛躍發(fā)展使得微型計(jì)算機(jī)機(jī)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(gè)人計(jì)算機(jī)）。不久，“個(gè)人計(jì)算機(jī)”（PC）成為所有個(gè)人計(jì)算機(jī)及微型計(jì)算機(jī)的代名詞。

此后，隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的體積繼續(xù)縮小，各方面的性能飛速提高，而價(jià)格卻不斷下跌，計(jì)算機(jī)走進(jìn)人們生產(chǎn)生活的各個(gè)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(dá)到310萬個(gè)晶體管，主頻已達(dá)66MHz，計(jì)算機(jī)從此進(jìn)入“奔騰”時(shí)代。目前，計(jì)算機(jī)中CPU的主頻已經(jīng)達(dá)數(shù)GHz，內(nèi)存也已達(dá)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(jì)算機(jī)。

集成電路輔助設(shè)計(jì)

集成電路

集成電路的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法是60年代后期發(fā)展起來的。當(dāng)時(shí)，大規(guī)模集成電路剛剛開始發(fā)展，由于每個(gè)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(jì)算電路性能和人工設(shè)計(jì)版圖越來越困難。不僅設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)協(xié)助人設(shè)計(jì)集成電路版圖和分析集成電路性能的方法。利用計(jì)算機(jī)快速運(yùn)算和處理大量數(shù)據(jù)的能力，只要總結(jié)出設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)方法，便可通過編制計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)這些設(shè)計(jì)原則和方法。在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)時(shí)，只要以一定格式輸入較簡單的原始數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)就能設(shè)計(jì)出正確的版圖。但是，集成電路尚不能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)設(shè)計(jì)，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中需要設(shè)計(jì)人員不斷進(jìn)行干預(yù)。要反復(fù)對設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行分析比較，選取較優(yōu)方案，然后進(jìn)行下一步設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)不僅能縮短設(shè)計(jì)周期，而且易于查出錯(cuò)誤，降低設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的內(nèi)容很多，幾乎在設(shè)計(jì)過程的各個(gè)階段都研究出了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(jì)、版圖驗(yàn)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(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。由于超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，一個(gè)完整的電子系統(tǒng)往往只需不太多的集成電路就可實(shí)現(xiàn)全部功能。因此，首先從整個(gè)系統(tǒng)分析出發(fā)，按照功能決定最合理和最經(jīng)濟(jì)的芯片劃分方案，并有計(jì)算機(jī)模擬。邏輯模擬是以確定芯片的邏輯電路進(jìn)行的，檢查是否達(dá)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(jìn)行電學(xué)性能的分析和模擬，包括靜態(tài)、動(dòng)態(tài)和容差分析，并有最佳中心值的設(shè)計(jì)。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(dòng)提取程序，它是實(shí)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(shí)際。

版圖設(shè)計(jì)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(jìn)行的，把各器件安放在版圖中的一定位置上，并按線路圖進(jìn)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(jì)中最費(fèi)時(shí)的一項(xiàng)工作，也是集成電路計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。版圖設(shè)計(jì)有人機(jī)交互式設(shè)計(jì)和自動(dòng)設(shè)計(jì)兩種方法，一般設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合使用這兩種方法。但是為提高版圖設(shè)計(jì)的工作效率，則必須建立單元版圖的數(shù)據(jù)庫。

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

對制成的集成電路還需要進(jìn)行測試，測試工作艱巨而繁復(fù)，現(xiàn)代也都用計(jì)算機(jī)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(jì)階段就已考慮，稱為可測性設(shè)計(jì)。因此，計(jì)算機(jī)輔助測試從廣義上來說也是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的一部分。

超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)

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(jì)算機(jī)（CPU為4040，四位機(jī)）。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(jì)算機(jī)的發(fā)展和改進(jìn)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(jī)）。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(fēng)靡世界。

第三階段是1978～1983年，十六位微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展階段，微處理器有8086、808880186、80286、M68000、Z8000。微型計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)。

第四階段便是從1983年開始為32位微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展階段。微處理器相繼推出80386、80486。386、486微型計(jì)算機(jī)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。現(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(jì)Pentium IV 將在2000年10月推出。

由此可見，微型計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)

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(jì)算機(jī)——150機(jī)操作系統(tǒng)，這是由楊芙清院士主持研發(fā)的我國第一個(gè)多道運(yùn)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(jì)算機(jī)，字長48位，存儲容量13KB。1月，第四機(jī)械工業(yè)部在北京召開了“電子計(jì)算機(jī)首次專業(yè)會議”，確定把發(fā)展系列機(jī)作為當(dāng)前發(fā)展方向。 5月，借鑒美國通用數(shù)據(jù)機(jī)器公司的16位小型機(jī)的技術(shù)，硬件自行設(shè)計(jì)，軟件兼容，DJS100計(jì)算機(jī)研制成功。到1973年止，我國原四機(jī)部系統(tǒng)共生產(chǎn)了數(shù)字計(jì)算機(jī)250臺，模擬計(jì)算機(jī)323臺，機(jī)床控制設(shè)備133臺，臺式計(jì)算機(jī)1520臺，在30多個(gè)行業(yè)得到應(yīng)用。

大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)

大規(guī)模集成電路 大規(guī)模集成電路（LSI）可以在一個(gè)芯片上容納幾百個(gè)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(gè)元件，后來的甚大規(guī)模集成電路（ULSI）上將數(shù)量擴(kuò)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(jì)算機(jī)的體積和價(jià)格不斷下降，而功能和可靠性不斷增強(qiáng)。 70 年代中期，計(jì)算機(jī)制造商開始將計(jì)算機(jī)帶給普通消費(fèi)者，這時(shí)的小型機(jī)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(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）用于家庭、辦公室和學(xué)校。 80 年代個(gè)人計(jì)算機(jī)的競爭使得價(jià)格不斷下跌，微機(jī)的擁有量不斷增加，計(jì)算機(jī)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(biāo)方便地操作。20世紀(jì)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(jìn)行思維、學(xué)習(xí)、記憶、網(wǎng)絡(luò)通信等工作。進(jìn)入21世紀(jì)，電腦更是筆記本化、微型化和專業(yè)化，每秒運(yùn)算速度超過100萬次，不但操作簡易、價(jià)格便宜，而且可以代替人們的部分腦力勞動(dòng)，甚至在某些方面擴(kuò)展了人的智能。于是，今天的微型電子計(jì)算機(jī)就被形象地稱做電腦了。