集成電路計算機

60年代初期，美國的基爾比和諾伊斯發明了集成電路，引發了電路設計革命。隨後，集成電路的集成度以每3-4年提高一個數量級的速度增長。集成電路（Integrated Circuit，簡稱r）是做在晶片上的一個完整的電子電路，這個晶片比手指甲還小，卻包含了幾千個晶體管元件。1962年1月，IBM公司採用雙極型集成電路。生產了IBM360系列計算機。一些小型計算機在程序設計技術方面形成了三個獨立的系統：操作系統、編譯系統和應用程序，總稱為軟體。值得一提的是，操作系統中"多道程序"和"分時系統"等概念的提出，結合計算機終端設備的廣泛使用，使得用戶可以在自己的辦公室或家中使用遠程計算機。第三代計算機的特點是體積更小、價格更低、可靠性更高、計算速度更快。

集成電路發展初期最重要的應用領域是計算機技術領域。第三代計算機的發展是建立在集成電路技術基礎上的，其硬體的各個組成部分，從微處理器、存儲器到輸入、輸出設備，都是集成電路技術的結晶。

1964年4月7日，IBM公司研製成功世界上第一個採用集成電路的通用計算機IBM 360系統，它兼顧了科學計算和事務處理兩方面的應用。IBM 360系列計算機是最早使用集成電路的通用計算機系列，它開創了民用計算機使用集成電路的先例，計算機從此進入了集成電路時代。與第二代計算機（晶體管計算機）相比，它體積更小、價格更低、可靠性更高、計算速度更快。IBM 360成為第三代計算機（集成電路計算機）的里程碑。

此後，集成電路的發展為微型計算機的出現和發展奠定了基礎。1971年，Intel公司研製成功世界上第一款微處理器4004，基於微處理器的微型計算機時代從此開始。1975年1月，美國MITS公司推出了首台通用型Altair 8800計算機，它採用了Intel 8080微處理器，是世界上第一台微型計算機。

進入80年代，集成電路設計及加工技術的飛躍發展使得微型計算機機躍上新的台階。1981年8月12日，IBM正式推出IBM 5150，採用Intel的8088 CPU，主頻為4.77MHz，存儲容量為16KB，操作系統為微軟的DOS

1.0。IBM將其稱為Personal Computer（個人計算機）。不久，“個人計算機”（PC）成為所有個人計算機及微型計算機的代名詞。

此後，隨著集成電路技術的發展，計算機的體積繼續縮小，各方面的性能飛速提高，而價格卻不斷下跌，計算機走進人們生產生活的各個領域。1993年Intel公司推出了第五代微處理器Pentium（中文名“奔騰”），它的集成度已經達到310萬個晶體管，主頻已達66MHz，計算機從此進入“奔騰”時代。目前，計算機中CPU的主頻已經達數GHz，內存也已達數Gb。可以毫不誇張地說，沒有集成電路就沒有現在的微型計算機。

利用計算機具有快速運算和大容量存儲數據的功能，幫助人們設計各種複雜產品的方法。實現這種設計方法的物質基礎是計算機輔助設計系統，它包括計算機本身和輔助設計所需的外部設備和軟體系統。集成電路有獨特的計算機輔助設計方法和相應的計算機輔助設計系統。

集成電路的計算機輔助設計方法是60年代後期發展起來的。當時，大規模集成電路剛剛開始發展，由於每個晶元上的晶體管數目日益增多，電路的複雜性與日俱增，使得人工分析、計算電路性能和人工設計版圖越來越困難。不僅設計周期長，消耗大量的人力，而且版圖的正確性也很難保證，因此提出用計算機協助人設計集成電路版圖和分析集成電路性能的方法。利用計算機快速運算和處理大量數據的能力，只要總結出設計原則和設計方法，便可通過編製計算機程序實現這些設計原則和方法。在計算機輔助設計時，只要以一定格式輸入較簡單的原始數據，計算機就能設計出正確的版圖。但是，集成電路尚不能實現全自動設計，在整個設計過程中需要設計人員不斷進行干預。要反覆對設計的結果進行分析比較，選取較優方案，然後進行下一步設計。計算機輔助設計不僅能縮短設計周期，而且易於查出錯誤，降低設計成本，已成為大規模集成技術的重要組成部分。

集成電路計算機輔助設計的內容很多，幾乎在設計過程的各個階段都研究出了計算機輔助設計的方法。其主要內容有系統分划和模擬、邏輯模擬、電路分析和模擬、工藝模擬、器件性能模擬、版圖設計、版圖驗證、輔助製版等，並有相應的各種描述語言和各種資料庫，如單元版圖資料庫、器件參數資料庫等。

系統分划和模擬是對整個系統的設計。由於超大規模集成電路的發展，一個完整的電子系統往往只需不太多的集成電路就可實現全部功能。因此，首先從整個系統分析出發，按照功能決定最合理和最經濟的晶元劃分方案，並有計算機模擬。邏輯模擬是以確定晶元的邏輯電路進行的，檢查是否達到原定功能的要求。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行電學性能的分析和模擬，包括靜態、動態和容差分析，並有最佳中心值的設計。電路分析需要器件的電學特性參數，這些參數可以由工藝模擬和器件性能模擬等程序提供。這樣，就能確定未來晶元加工的工藝條件。另一種提供器件電學特性參數的方法是通過器件參數自動提取程序，它是實際測定器件特性通過程序提取電路分析所需的器件電學特性參數。一般后一方法更合理和切合實際。

版圖設計是根據電路分析的結果，選定出正確的電路圖，然後按照器件性能的要求對器件圖形進行的，把各器件安放在版圖中的一定位置上，並按線路圖進行互連。這是集成電路、特別是大規模和超大規模集成電路設計中最費時的一項工作，也是集成電路計算機輔助設計中最重要的一個環節。版圖設計有人機互動式設計和自動設計兩種方法，一般設計時結合使用這兩種方法。但是為提高版圖設計的工作效率，則必須建立單元版圖的資料庫。

設計完成的版圖可能有錯誤，而用人工查錯又是一件既費時又艱苦的工作。通過計算機輔助查錯效果良好，這就是版圖校驗程序。這種校驗程序不僅能查出幾何圖形的錯誤，而且還能把連線和隔離等的寄生效應考慮進去，校正原設計不合理的部分。校對正確無誤后的版圖數據，通過計算機輔助製版程序送繪（刻）圖機或圖形發生器，或電子束曝光機制出集成電路所需的掩模版。

對製成的集成電路還需要進行測試，測試工作艱巨而繁複，現代也都用計算機輔助測試來完成，以提高工作效率。關於提高測試效率，在電路的設計階段就已考慮，稱為可測性設計。因此，計算機輔助測試從廣義上來說也是計算機輔助設計的一部分。

第一階段是1971～1973年，微處理器有4004、4040、8008。 1971年Intel公司研製出MCS4微型計算機（CPU為4040，四位機）。後來又推出以8008為核心的MCS-8型。

第二階段是1973～1977年，微型計算機的發展和改進階段。微處理器有8080、8085、M6800、Z80。初期產品有Intel公司的MCS一80型（CPU為8080，八位機）。後期有TRS-80型（CPU為Z80）和APPLE-II型（CPU為6502），在八十年代初期曾一度風靡世界。

第三階段是1978～1983年，十六位微型計算機的發展階段，微處理器有8086、808880186、80286、M68000、Z8000。微型計算機代表產品是IBM-PC（CPU為8086）。本階段的頂峰產品是APPLE公司的Macintosh（1984年）和IBM公司的PC/AT286（1986年）微型計算機。

第四階段便是從1983年開始為32位微型計算機的發展階段。微處理器相繼推出80386、80486。386、486微型計算機是初期產品。 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位的內部數據通道。現在Pentium III（也有人稱P7）微處理器己成為了主流產品，預計Pentium IV 將在2000年10月推出。

由此可見，微型計算機的性能主要取決於它的核心器件——微處理器（CPU）的性能。

1973年，楊芙清主持研製成功我國第一台百萬次集成電路電子計算機——150機操作系統，這是由楊芙清院士主持研發的我國第一個多道運行操作系統。

年初，由北京大學、北京有線電廠和燃化部等有關單位共同研製成功中國第一台百萬次集成電路電子計算機，字長48位，存儲容量13KB。1月，第四機械工業部在北京召開了“電子計算機首次專業會議”，確定把發展系列機作為當前發展方向。 5月，借鑒美國通用數據機器公司的16位小型機的技術，硬體自行設計，軟體兼容，DJS100計算機研製成功。到1973年止，我國原四機部系統共生產了數字計算機250台，模擬計算機323台，機床控制設備133台，台式計算機1520台，在30多個行業得到應用。

大規模集成電路 大規模集成電路（LSI）可以在一個晶元上容納幾百個元件。到了 80 年代，超大規模集成電路（VLSI）在晶元上容納了幾十萬個元件，後來的甚大規模集成電路（ULSI）上將數量擴充到百萬級。可以在硬幣大小的晶元上容納如此數量的元件使得計算機的體積和價格不斷下降，而功能和可靠性不斷增強。 70 年代中期，計算機製造商開始將計算機帶給普通消費者，這時的小型機帶有友好界面的軟體包，供非專業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 推出個人計算機（PC）用於家庭、辦公室和學校。 80 年代個人計算機的競爭使得價格不斷下跌，微機的擁有量不斷增加，計算機繼續縮小體積。與 IBM PC 競爭的 Apple Macintosh 系列於 1984 年推出， Macintosh 提供了友好的圖形界面，用戶可以用滑鼠方便地操作。20世紀90年代，電腦向“智能”方向發展，製造出與人腦相似的電腦，可以進行思維、學習、記憶、網路通信等工作。進入21世紀，電腦更是筆記本化、微型化和專業化，每秒運算速度超過100萬次，不但操作簡易、價格便宜，而且可以代替人們的部分腦力勞動，甚至在某些方面擴展了人的智能。於是，今天的微型電子計算機就被形象地稱做電腦了。