改变世界的“小方块”

刘健

计算机的“巨人时代”

世界上最早的计算机长什么样子？瞧，就是它！

看上去，这就是个金属做的大盒子，怎么才能用它算算术呢？秘密就藏在这个“大盒子”里面。它里面有一系列齿轮和发条。在使用时，需要用一把钥匙插进去，旋紧发条后，才能让它转动起来。而且，它只会做加法和减法。

这台计算机的发明者是著名的法国科学家帕斯卡。他当时年仅19岁。为了帮助父亲算账，他发明了这台最早的计算机。它一问世，就轰动了当时欧洲的科学界。从此，一代又一代的科学家投身到了对计算机的研究和制造中。

然而，随着时代的发展，人们需要做的数学计算越来越复杂了。计算机也不能光会做加减法呀！因此人们开始着手制造计算能力更强的机器。但他们发现，要想让机器算得多算得准，就必须让它的结构更复杂、精密。于是，计算机的个子也就越做越大了。

到了1819年，一个英国人巴贝奇设计出了一架能够自动计算的“差分机”，它是这个样子的：

又过了一百多年，人们造出了用电作为能源的计算机。但新型的电子计算机仍然是个笨重的“大家伙”。因为虽然它不再使用齿轮和发条作为部件了，但却添加了很多电子元件，还需要安装大量的电路和导线。

这就是世界上第一台电子计算机。它于1946年2月15日在美国宾夕法尼亚大学“诞生”，名字叫ENIAC（埃尼阿克）。它使用了17468个真空电子管，重达30吨，足足可以占满一个房间！它每秒钟可进行5000次加法运算，这在当时已经非常了不得了。

理工男的假期小发明

世界上的第一块芯片是美国人杰克·基尔比的杰作。

读大学的时候，基尔比是一个典型的“理工男”。一米九八的大个子，长着一张和善的脸，留着一头地中海卷发，说话的速度很慢很慢。尽管不善于表达，但基尔比的动手能力却非常强。他一直梦想像自己的父亲那样，成为一个出色的工程师。

1958年，基尔比来到位于达拉斯的德州仪器公司工作。一年前，苏联人成功发射了人类历史上第一颗人造地球卫星。这让美国政府感到了巨大的压力。作为军方合作企业的德州仪器公司，这时正在研制小型计算机设备。

怎么才能将计算机做得更小一些呢？基尔比为此经常冥思苦想。后来，他终于想到了一个主意，那就是把计算机的电路“集成”到同一个元件中，就可以大大减少部件的数量。为了验证自己的构想，他利用公司休假的机会，独自在半导体实验室中展开研究。

经过两个多月的努力，1958年9月12日，基尔比用全手工的方式完成了人类历史上第一块集成电路芯片。它由镶嵌在一块锗片上的两个电路组成，长约半英寸。基尔比亲自对它进行了测试。当他紧张地检查完连接，推上开关，一条浅绿色的模型线在屏幕上画出了一条完美的波形，实验成功了！

从此，杰克·基尔比成为“集成电路之父”。2000年10月10日，瑞典皇家科学院颁给他当年的诺贝尔物理学奖，以表彰他为信息技术的发展所做出的巨大贡献。

一张订单引发的革命

罗伯特·诺伊斯出生在美国中西部的普通乡村。凭借着勤奋好学，他成长为一名电子设备专家，并和另外两个朋友共同创办了一家名叫英特尔（Intel）的公司。

1969年4月，日本的一家计算器制造商找到英特尔，希望他们为自己的产品开发专用的处理器。就这样，世界上第一块集成电路芯片——Intel 4004正式进入研发阶段。

1971年，这块神奇的“小方块”终于完工。它集成了2250个晶体管，每个晶体管之间的距离是10微米。它能够在每秒钟内运算6万次，而制造成本却不到100美元。

1974年，英特尔公司又对Intel 4004进行了升级改进，推出了Intel 8080芯片，它每秒能执行29万条指令，功能要比上一代芯片强大10倍！

Intel 8080芯片的诞生宣告了微型计算机和个人电脑时代的到来。从此以后，电子计算机的体积大大缩小，性能却得到了飞跃式的提升。在它问世的第二年，比尔·盖茨创办了微软公司，开始研发Windows系统。又过了一年，史蒂夫·乔布斯创办了苹果公司。人类正式跨入了处处离不开电脑的智能时代。

冷战结局因它而不同

冷战初期，苏联在太空竞赛中全面领先。但在电子技术领域，苏联人仍然死守着陈旧的电子管技术，并一直致力于电子管的小型化。原因是晶体管的工作环境对电压和温度要求较高。电压过大，会导致晶体管被电流击穿报废，而当周围温度变化较大时，晶体管的性能就会出现故障。而且，晶体管的输出功率也远远比不上电子管。

然而，到了20世纪70年代中期，苏联研究人员终于发现，缩小电子管的路已经走到了尽头。想要把电子管的体积再缩小一个数量级，其耗费将是天文数字。而此时美国生产的芯片已经可在0.5平方厘米的硅片上集成14万个晶体管。苏联人在这条错误的道路上白白花费了十年时间。

不久，美国就因为集成电路芯片的技术领先，将苏联远远甩开。小小的芯片，真可以称得上是帮助美国取得冷战胜利的一大“功臣”！

电子管：一种最早期的电子信号放大器。它是将一些电子线路焊在一个基座上，之后再封闭在玻璃管中做成的元件。近年来，它逐渐被集成电路所取代，但在一些高级的音响器材中，仍然会使用噪声低、稳定性高的电子管。

晶体管：一种用半导体材料制成的电子元件。由于其响应速度快，准确性高，可用于各种各样的数字设备。晶体管可以被做得很小，并成为集成电路的一部分。它是目前世界上所有电脑、手机等电子设备内部的基本元件。

芯片的未来

芯片这个“小方块”还能变得更小吗？答案是肯定的。在未来，芯片可能会变成下面这两种样子。

纳米芯片：纳米是微观世界的长度单位。假设一根头发的直径是0.05毫米，把它竖着像劈柴那样，剖成5万根，每根的厚度大约就是一纳米。也就是说，一纳米就是0.000001毫米。目前，最尖端的纳米芯片已经可以做到10纳米级，比有些细菌和微生物的个子还要小！这些“小家伙”将成为人类信息社会的重要骨干。

光子芯片：受到芯片的尺寸限制，计算机的功能提升变得越来越困难。因而人们预测，光子芯片将成为未来完成超高速运算任务的主力军。安装了这种芯片的光子计算机，即将成为信息时代的新主角。目前，中国在这一领域的研究已达到世界先进水平，一场由中国人引领的光子技术革命即将到来。