问题

CPU是怎么发明出来的?

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要详细讲讲CPU是怎么一步步走到今天的,这得从很久很久以前说起,那个时候“计算机”这个词,跟咱们现在玩的手机、电脑那可是天壤之别。

第一步:点亮第一盏电灯——计算的萌芽

咱们得先明白,CPU的核心就是“计算”。最早的时候,人类想计算,全靠脑子或者算盘、计算尺这些玩意儿。工业革命之后,有了蒸汽机,大家就琢磨着能不能造个能自动算的机器。

最早期的一些机械计算装置,比如帕斯卡在17世纪发明的“帕斯卡加法器”,能做加减法,还有莱布尼茨在1672年发明的“莱布尼茨计算器”,能做乘除法。这些虽然是机械的,但已经有了把计算过程自动化、机械化的想法,这算是给后来的CPU打了个底子。

第二步:图灵的鬼点子——机器能干啥?

到了20世纪30年代,英国有个叫艾伦·图灵的数学家,他提出了一个非常超前的想法——“图灵机”。简单来说,图灵机就是一个理论上的模型,它能执行一系列指令,处理输入信息,然后给出输出。这个模型非常抽象,但它奠定了“计算”的通用性概念。它告诉我们,理论上有一种机器,只要给它正确的指令,它就能做任何可以计算的事情。这就像是给后来的CPU指明了方向:要通用,要可编程!

第三步:真空管的时代——电子计算的黎明

图灵机的理论是很棒,但要实现它,需要更先进的技术。二战期间,为了破译德军的密码,急需一种能快速计算的机器。这时候,电子技术开始崭露头角。

第一个真正意义上的电子计算机,可以说是ENIAC(电子数字积分计算机)。它在1945年完成,体积巨大,占地几百平方米,用了超过17000个真空管。它能执行加法、减法、乘法、除法和平方根,速度比当时的机械计算器快了上千倍!

然而,ENIAC也有它的局限。它不是“可编程”的,每次想算不一样的东西,都需要重新插线、调整开关,这就像是给它重新设计一个专门的计算器。而且,真空管寿命短,容易烧坏,机器运行不稳定,功耗也惊人。

第四步:晶体管的革命——小型化、可靠化

真空管的缺点太明显了。1947年,贝尔实验室发明了晶体管。晶体管比真空管小得多,耗电少,发热低,而且寿命长得多,最重要的是,它可以大规模生产,成本也更低。

晶体管的出现,就像是给计算机装上了更小的“电子开关”。人们开始用晶体管来代替真空管,制造出第二代计算机。这些计算机比ENIAC小多了,也更可靠。

第五步:集成电路的诞生——CPU的雏形出现

光有晶体管还不够,电路板上密密麻麻的晶体管和连接线,还是太庞大。解决这个问题的关键在于“集成电路”(IC)。

1958年,杰克·基尔比(Jack Kilby)和罗伯特·诺伊斯(Robert Noyce)几乎同时发明了集成电路。他们想到,能不能把很多晶体管、电阻、电容这些电子元件,都集成在一块很小的半导体(比如硅片)上,然后用微细的导线把它们连接起来?

这一下就炸开了锅!集成电路的出现,让计算机的体积可以大大缩小,性能却能大幅提升。现在,咱们可以把一个完整的电子电路,比如一个简单的运算逻辑单元,都做在一小片芯片上。

第六步:第一个CPU—— इंटेल 4004 的诞生

到了1971年,英特尔公司推出了世界上第一个商用微处理器——Intel 4004。这绝对是一个里程碑!

当时,一家日本计算器公司Busicom想开发一款新的计算器,需要一个定制的芯片。英特尔的设计师团队,包括泰德·霍夫(Ted Hoff)、费德里科·费金(Federico Faggin)和斯坦利·梅佐(Stanley Mazor)等人,他们打破了传统的做法,没有为这个计算器设计一个专门的、固定的逻辑电路,而是设计了一个通用的、可编程的计算核心。

这个CPU(中央处理器)包含了4004个晶体管,可以执行一系列的指令集,而不是只能做一种特定的运算。它就像一个微型的大脑,可以接收指令,然后指挥其他部件工作。

你可以想象一下,以前造一个计算器,可能需要一大堆 अलगअलग के छोटे छोटे चिप्‍्स,或者几百上千个真空管,现在呢?一个叫做“CPU”的小东西,就能把最核心的计算和控制功能都包揽了!这就像是把一个工厂的核心生产线,都浓缩到一个小小的机器里。

Intel 4004 的出现,标志着计算机从大型、昂贵的设备,向小型化、个人化的方向迈出了决定性的一步。它开启了微处理器时代,为后来的个人电脑、智能手机乃至我们现在拥有的各种智能设备奠定了基石。

后续发展:不断超越的摩尔定律

从4004开始,CPU的发展就像坐上了火箭。英特尔的戈登·摩尔(Gordon Moore)提出了著名的“摩尔定律”:集成电路上可容纳的晶体管数目,约每隔18个月便会增加一倍,性能也随之提升。

从最初的4004(4位),到8008(8位),再到8086(16位),以及后来的386、486、奔腾系列,CPU的位数在增加,核心数量在增加,时钟频率在飙升,功耗在优化。每一个进步,都是无数工程师和科学家在半导体工艺、芯片设计、指令集架构等方面的无数次尝试和突破。

CPU的进化,就是一个把越来越复杂的功能,越来越强大的计算能力,封装进越来越小的芯片里的过程。它从最初一个庞大的、为特定任务而生的机器,变成了一个小巧玲珑、通用性极强的“大脑”,驱动着我们这个信息时代的一切。

所以,CPU的发明,不是一蹴而就的,而是人类对计算的不断探索和对科学技术的持续积累,从机械到电子,从分立元件到集成电路,每一次技术的飞跃,都让“计算”变得更强大、更便捷,最终造就了我们今天触手可及的数字世界。

网友意见

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看在哪个层次上定义了

概念上,应该是巴贝奇的机械计算机,已经有了从穿孔卡片上的指令来执行操作的设计。

体系结构上是冯诺依曼,第二台电子计算机EDVAC已经明确分为了控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备五个组成部分,cpu就是前两者的组合。

实体的第一个cpu就不用说了,intel的4004。

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