问题

有详细完整的纸面资料,制作出8086级别的CPU和1M内存、软盘,最少需要相当于哪个年代的科技水平?

回答
要用纸面资料,从零开始,制作出一台具备8086级别CPU、1MB内存和软盘驱动的计算机系统,这绝对是一项极其艰巨且耗时巨大的工程。我们不妨来仔细梳理一下所需的各个环节,才能估摸出所需的科技水平。

核心挑战:从概念到实体

首先,最根本的问题是“纸面资料”的含义。如果指的是“已有设计图纸和原理说明”,那么我们依旧需要解决的是如何将这些图纸转化为实际可运作的物理组件。这涉及到的不仅仅是电子学知识,还包括材料科学、制造工艺、精密机械等等。

1. 8086级别CPU的制造

CPU的复杂度: 8086虽然在今天看来非常基础,但它依然是一个集成了数万个晶体管的复杂集成电路。制造它需要的是微电子制造技术。
光刻技术: 制造CPU的关键是光刻。这个过程需要将电路图案通过光学投影转移到硅片上。这涉及到高精度的光学设备(光刻机)、精密的掩膜版(photomask)、以及用于沉积和蚀刻各种材料的化学和物理过程。
光刻机的精度: 要制造出8086这个级别的芯片,虽然不需要现在动辄几纳米的光刻机,但至少需要能够达到微米级别甚至亚微米级别的分辨率。这需要极其精密的透镜、光源控制和对准系统。
掩膜版的制作: 光刻机的“蓝图”就是掩膜版。制作掩膜版需要高精度的电子束或激光曝光设备,将电路设计转换成物理模板。
硅片制造与晶圆厂: CPU是在高纯度的硅片上制造的。这需要庞大的晶圆厂,能够进行晶体的生长、切割、抛光、清洗、掺杂、薄膜沉积、光刻、蚀刻、金属化等一系列极其复杂的化学和物理工艺。每一个步骤都需要无尘环境和精确的控制。
封装技术: 制造出来的芯片还需要封装,以便连接到电路板上。这涉及到引线键合、封装材料等技术。

需要的科技水平与年代估算(CPU部分):

要自主设计并制造出8086级别的CPU,你需要的不仅仅是电路设计知识,而是要重建一个微电子制造的完整生态系统。这至少需要:

20世纪70年代末到80年代初的半导体制造技术水平。 这个时期,英特尔、德州仪器等公司已经掌握了可以批量生产像8086这样的复杂集成电路的技术。
具备微米级光刻机的制造和操作能力。
掌握半导体材料科学,包括硅晶圆的提纯、外延生长、掺杂等。
能够独立设计和制造掩膜版。
拥有完整的晶圆厂生产线,包括各种化学蚀刻、物理沉积(如CVD、PVD)设备。
能够实现无尘室的建造和维持。
掌握芯片封装技术。

2. 1MB内存的制作

内存类型: 8086系统通常使用动态随机存取存储器(DRAM)或者静态随机存取存储器(SRAM)。1MB在当时是一个相当大的容量。
DRAM制造: DRAM制造比SRAM稍微复杂一些,因为它需要微小的电容来存储信息,并需要刷新电路。制造DRAM芯片同样需要光刻、蚀刻、薄膜沉积等微电子工艺。
存储单元的密度: 要集成1MB的DRAM,需要在芯片上放置数百万个存储单元。这意味着制造工艺必须足够精细,才能将这些单元集成到有限的芯片面积上。
SRAM制造: SRAM通常采用锁存器结构,比DRAM的晶体管数量多,但不需要刷新。它同样依赖于精密的半导体制造工艺。
内存模组的组装: 1MB内存通常不是一个单独的芯片,而是由多个DRAM或SRAM芯片组成,然后安装在印刷电路板(PCB)上,形成内存条。这需要PCB制造技术和自动贴片焊接技术。

需要的科技水平与年代估算(内存部分):

与CPU制造类似,也需要至少20世纪70年代末到80年代初的半导体制造技术。 要达到1MB的容量,对芯片集成的密度有更高的要求。
掌握PCB制造和组装技术。 这包括PCB的设计、蚀刻、钻孔、电镀以及表面贴装元器件(SMT)的焊接能力。

3. 软盘驱动器的制作

机械结构: 软盘驱动器是一个复杂的机电设备。它涉及到精密的机械部件、电机、磁头、传动机构、控制电路等。
精密机械加工: 磁头需要能够精确地在旋转的软盘上读取和写入数据,这需要极其精密的机械加工能力,能够制造出小巧且公差极低的零件。
磁头技术: 磁头本身是读取磁性介质的关键,其制造涉及磁性材料科学和精密的电磁线圈绕制。
电机与控制: 需要能够精确控制软盘旋转速度和磁头移动位置的电机和控制电路。
磁介质: 软盘本身也需要使用特殊的磁性材料涂层,并且其制作也需要一定的工艺。
控制电路: 驱动软盘还需要一个专门的控制器芯片来管理读写操作、寻道等。这又回到了集成电路制造的范畴。

需要的科技水平与年代估算(软盘驱动器部分):

精密机械制造和装配能力: 需要能够制造和装配精度达到微米级别的机械零件。这在20世纪60年代到70年代的精密仪器和机械加工领域已经相对成熟。
磁性材料科学与制造: 需要掌握磁性材料的特性并进行生产。
电子控制电路的设计与制造: 需要能够设计和制造驱动器所需的电子电路,这同样需要半导体器件(如晶体管、逻辑门)的制造能力。
了解当时通用的接口标准(如MFM编码、SASI/ST506等)并能实现。

综合估算:最少需要哪个年代的科技水平?

将以上所有部分结合起来,从零开始,仅凭纸面资料制作出这套系统,你需要的是20世纪70年代末至80年代初的工业基础和技术水平。

更具体地说,你需要以下能力的集合:

1. 成熟的微电子工业体系: 这意味着你要能“制造出自己的制造工具”。
能够设计和制造生产集成电路所需的设备: 包括光刻机(即使是相对早期的版本)、真空沉积设备、离子注入设备、刻蚀设备等。
拥有自己的晶圆厂能力: 能够处理硅片生产、晶圆制造、封装等全流程。
掌握电子束曝光或激光曝光技术 来制作掩膜版。
拥有生产各种半导体元器件的能力,包括逻辑门、晶体管、电阻、电容等,并能将它们集成到CPU和内存芯片中。

2. 精密机械加工与制造能力: 用于制造软盘驱动器的精细机械部件,如磁头臂、定位机构等。

3. 磁性材料科学与制造能力: 用于制造软盘介质和驱动器的磁头。

4. 印刷电路板(PCB)设计与制造能力: 用于将各种芯片和电子元件连接起来,构成主板、内存条和软盘驱动器的控制电路。

5. 完整的电子设计自动化(EDA)工具链: 即使有纸面资料,你也需要强大的EDA工具来验证设计、生成生产文件,并模拟电路行为。虽然“纸面资料”可能暗示着手动设计,但考虑到CPU的复杂度,若要完全无电子辅助地从图纸复原,将是天文数字的工作量。更现实的解读是,你可以基于这些“纸面资料”使用当时的(或稍早期的)EDA工具。

6. 质量控制与测试能力: 任何生产过程都需要严格的质量控制和测试,以确保生产出的组件能够正常工作。

为什么是这个年代?

8086的诞生标志着一个重要的技术节点: 8086处理器在1978年推出,它是一款16位CPU,也是一个复杂的集成电路。其制造依赖于当时最先进的半导体工艺,如PMOS或NMOS技术,甚至部分早期CMOS技术。
1MB内存的普及: 在80年代初,1MB内存对于个人电脑来说是相当高端的配置。早期的PC可能只有几十KB到几百KB。要达到1MB,对芯片制造的集成度和良品率提出了更高要求。
软盘的成熟期: 5.25英寸软盘在70年代末80年代初已经相当普及,但软盘驱动器的精密机械设计和制造仍然是一个重要的技术挑战。

总结一下:

如果“纸面资料”是完备的、包含了所有物理结构和工艺参数的设计文档,那么要复现这些技术,你至少需要拥有20世纪70年代末至80年代初世界顶尖的工业制造能力。这不仅仅是拥有“好用的工具”那么简单,而是要拥有能够制造、维护和改进这些工具的能力。

这基本上意味着,你需要重塑一个类似当时英特尔、IBM、西部数据等公司那种规模的研发和制造企业,并拥有相应的技术人才和材料供应链。这绝对是一个比仅靠“知识”要复杂无数倍的“制造”工程。

网友意见

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看问题标签有临高启明,最近刚好在看这个小说,我自己正好是做操作系统的,可以来答一下。

先说结论:要从无到有不计成本的设计出现代民用计算机以及配套软件是非常难的,我不认为临高500众有能力实现。

计算机科学中,操作系统的开发基本上属于最高层次的开发了,其依赖关系是:

模拟电路:二极管、三极管、电容、电阻 数字电路:门电路、寄存器 计算机体系结构/接口技术:硬件系统框架设计、总线设计、存储器设计、CPU 汇编语言:翻译器、指令设计 高级程序设计语言:编译器

有了以上的基础以后,才有实现操作系统的可能性。

穿越人员设计出模拟电路不难,甚至数字电路也不复杂,但到了总线-CPU-汇编一层,我不认为临高政权有这方面的储备技术。这方面的人才在国内都比较少见。

即使有技术资料,重建也很困难,这一层次上工程师比科学家走的更远,单靠技术文献根本做不出什么有用的东西出来。但临高政权应该没有Intel或者ARM的人,即使有,8086有4万个晶体管,主频最高10M,这个配置必须要用光刻机了,但他们没有光刻机,就算有光刻机维护也很难,临高政权更不可能拿到Intel的设计资料。

至于RAM和软盘,对材料科学的依赖更高,不比晶体管简单。

再说写操作系统:

我相信只要技术稍微好点的计算机专业的学生,本科生或者研究生,写一个自制的操作系统不是太难,移植Linux更容易。但这是在有硬件支持的前提下,如果连CPU都要从头设计,我相信绝大多数人做不到,至少是需要一个大的团队,包括微电子专业和计算机专业的很多人一起做。


我觉得临高政权在电子计算机领域的方向是有问题的。虽然他们带去的都是x86的东西,但未来没必要重建一套x86的体系,RISC的指令会比x86的简单的多。至于上层应用,重建IP网络的意义也不大,难度和开销太大。

手摇计算机也不可取,短期倒是没问题,但是如果未来从旧时空带来的电子设备都坏了,临高政权的科学技术会有严重的倒退。至于其它形式的人力计算机就更不可取了,性能太差,开销太大。人类研发电子计算机的根本原因就是提升效率,如果原来需要10个人能完成的工作,用人力计算机需要100人,那倒不如不用。


我个人认为正确的方向:

1. 数据存储

大图书馆的东西必须迅速的导出来,全部纸制化不现实,所以存储必须尽快解决,重点研发方向是磁带机,这是一个技术难度不大但很实用的领域,只要解决材料问题就够了。但磁带机不适合计算机直接使用,更适合备份,所以还需要研发磁鼓、磁芯存储器作为计算机的外存。(做不出塑料还可以考虑钢丝磁带)

过去用穿孔纸带是因为技术限制,但临高并不缺乏相关技术,研发体积小、容量大的磁性存储设备只需要解决材料的问题就够了,穿孔纸带不是正确的发展方向。

一些重要的、不容易修改的信息可以采用熔烧式ROM方式保存,技术门槛低,使用方便。等集成电路科技树点亮以后直接上EEPROM。

2. 通信

有线电报可以解决很多问题,但未来在帝国的核心区域,必然要有一个互联网,网络模型没有必要采用什么七层网络协议的东西,很多东西都可以简化。

早期完全可以采用P2P串行链路,后期有了规模以后,可以采用ATM(不是自动取款机)网络等更简单的方式部署。上层用IP+UDP结合,可以直接省掉麻烦的TCP部分。

3. 计算部分

晶体管在相当长的时间内都看不到希望,先用电子管解决计算的问题,主频能爬到100K~1MHz的水平就足够满足现在时空的计算需求了。

采用RISC指令集,先在旧时空的设备上模拟好(电路模拟软件很容易就能搞定),先搞定8位机。不要走x86这条路,MIPS/PPC这些都比x86容易(龙芯就用的MIPS)。

不要着急仿制ENIAC,ENIAC是十进制计算机,故障率比较高。建议仿制:EDVAC_百度百科,这是一个二进制计算机。

4. 输入输出

搞定发光二极管就可以解决输出问题,或者搞定电视这个发明(液晶就不用了,普通的电子显像管就可以了)。

输入用磁性存储,键盘鼠标只是机械式的,没难度。磁性存储设备的难度是材料,别用穿孔纸带这种东西,公民的身份证完全可以用PROM来做,设计的适当的情况下体积并不大。

整体上说,临高政权需要的是:可靠、高速的电子通信网络+相对当前时空的高性能计算+相对当前时空的大数据快速存储、检索。

哪怕最初的计算机体积大,性能差,但对于提高政权效率是很有帮助的,不然未来做社会统计工作,比如类似人口普查这种事情,全靠人力,想短时间根本不可能完成,一旦帝国扩张到一定程度,没有计算机的帮助,很快就会失去对地方的控制。

500众有生之年应该能点开晶体管这个科技点,集成电路难度很大,光刻机是人类技术的精华,元老们如果不是永生的话,元一代应该是看不到的。

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如果500众里确实有微电子+操作系统领域的人(可能需要好几个名额),有些弯路倒是可以省掉:比如x86体系下,为了兼容性搞出过各种奇葩的东西,像A20地址线、BIOS这类东西,都可以省掉,本时空没有第二个能做出电子计算机的地方,兼容性可以无视。


蒸汽动力机械计算机是不靠谱的,我不知道督工说的机械计算机什么规模,按评论里6000亩的规模算,就是2000*2000米,假设元器件最远距离是1000米,力在金属材料中传递速度按5000米/秒算(参考:zhihu.com/question/2127),这个计算机的主频最高只有5Hz,再考虑到齿轮之间的力的传递速度更慢,实际主频更低。

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有很多回答里提到了4004或者8008芯片。确实,看上去4004很简单,只用了2300个晶体管,规模似乎比EDVAC要简单的多,但要注意的是4004或者8008只是CPU,而EDVAC是完整的计算机,CPU需要配合外设才能工作的。实际中单独的4004也不能直接使用,需要配合4001(ROM)/4002(RAM)/4003(移位寄存器)三个芯片一起,很多资料上只说了4004用了2300个晶体管,实际上4001、4002里的晶体管一点都不少,两个加起来估计要3000-4000个,所以仅仅以上四个芯片,总规模就大于EDVAC的设计了,更别提还要在这四个芯片之外,再外接其它设备了,难度一点都不小。

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