《计算机组成与体系结构（原书第4版）》 —1.5.5　第四代：超大规模集成电路计算机（1980～）

1.5.5　第四代：超大规模集成电路计算机（1980～）

在第三代电子进化中，多个晶体管可集成到一个芯片上。随着制造技术和芯片技术的进步，越来越多的晶体管可封装在一个芯片上。现在有多种集成技术：小规模集成（SSI），每个芯片上有10～100个元器件；中等规模集成（MSI），每个芯片上有100～1000个元器件；大规模集成（LSI），每个芯片上有1000～10000个元器件；超大规模集成（VLSI），每个芯片上有超过10000个元器件。超大规模集成电路标志着第四代计算机的开始。随着更多的晶体管不断加入，集成电路的复杂性持续增长。对于包含超过100万个晶体管的集成电路，建议使用特大规模集成（ULSI）这个词。2005年，数十亿晶体管可放置在一个芯片上。其他有用的术语包括：晶片规模集成（WSI），它用整个硅晶片建造超级芯片集成电路；三维集成电路（3D-IC）；片上系统（SOC），它是包括整个计算机所需的所有元件的集成电路。

为了对表示集成水平的数字有更多的认识，考虑“片上ENIAC项目”。1997年，为了纪念ENIAC首次公开展示五十周年，宾夕法尼亚大学的一群学生构建了一个与ENIIAC等效的单片机。学生们把占地1800ft2、重30t、开机运行时每分钟消耗174kW电量的庞然大物ENIAC复制到了一个指甲大小的芯片上。这个芯片包含大约174569个晶体管，这个数量比20世纪90年代后期在同样大小的硅片上通常放置的元器件数量少一个数量级。

1971年，Intel公司使用超大规模集成技术创建了世界上第一个微处理器——4004，这是一个全功能的4位系统，主频为108KHz。Intel公司也推出了可在一个芯片上容纳4kb主存的随机存取存储器（RAM）芯片。这使得第四代计算机变得比其固态“前辈”更小并且更快。

超大规模集成技术以及令人难以置信地越做越小的电路，推动了微型计算机的发展。这些系统足够小且价格足够便宜，因此可使普通民众用得起计算机。最早的微型计算机是Altair 8800，它由MITS公司于1975年发布。紧随其后的是Apple I和Apple II，以及科莫多尔公司的PET和Vic 20。最后，1981年IBM推出了个人计算机（PC）。

个人计算机是IBM在生产“入门级”计算机系统方面的第三次尝试。IBM的Datamaster和5100系列台式计算机在市场上彻底失败了。尽管这些早期产品失败了，但是IBM的约翰·奥佩尔还是说服了管理者再试一次。他建议在佛罗里达州博卡拉顿市成立一个完全有自主权的独立业务部门，远离设在纽约市阿蒙克的IBM公司总部。奥佩尔让既有活力又有能力的工程师唐·埃斯特奇进行代号为Acorn的新系统开发。由于受到IBM在小型机系统领域失败的影响，公司管理层严格控制该项目的时间和资金。奥佩尔只有承诺在一年内交付这个项目，公司才能让项目启动。这似乎是一件不可能完成的事情。

埃斯特奇知道唯一能够在过于乐观的12个月内完成项目的方法，就是要打破IBM的惯例，尽可能使用现成的部件。因此，从一开始，IBM的PC就被设想为一种“开放”的体系结构。虽然IBM的一些人后来可能对让PC的体系结构尽可能非专利的决定感到后悔，但是正是这种开放让IBM建立了行业标准。克隆PC发展迅猛，而IBM的竞争对手忙于起诉复制其系统设计的公司。不久，“IBM兼容”微型计算机的价格就降到了几乎每个小企业都可以购买的程度。也要感谢克隆市场，大量这种系统很快在人们的家中实现了真正的“个人使用”。

IBM最终失去了微型计算机市场的统治地位。无论好与坏，IBM的体系结构事实上一直是微型计算机的标准，每年都有更大、更快的系统出现。今天，普通台式计算机的计算能力已经是20世纪60年代大型机的许多倍了。

自20世纪60年代以来，由于超大规模集成电路技术的出现，大型计算机的性价比有了惊人的改进。虽然IBM System/360是一个全固态元器件的系统，但它仍然是需要用水冷却、消耗电力的庞然大物。它每秒仅能执行50000条指令，仅支持16MB的内存（而通常只装有几KB的物理存储器）。这些系统太昂贵，只有最大的企业和大学可以买或租一台。大型机现在称为“企业服务器”，价格仍然是数百万美元，但是它们的处理能力已经有了数千倍的增长，在20世纪90年代后期，过了每秒10亿条指令的大关。这些系统通常作为网络服务器来使用，每分钟支持几十万个业务！

由VLSI带给超级计算机的处理能力让人不敢相信。第一台超级计算机CDC 6600每秒能够执行1000万条指令，主存的容量为128KB。而今天的超级计算机有几千个处理器，能够寻址几TB的存储器，而且不久每秒就能执行千万亿条指令了。

什么技术将标志着第五代的开始？有人说第五代的标志是接受并行处理以及使用网络和单用户工作站。许多人认为我们已经跨入这一代了。而一些人认为它将是量子计算。一些人把第五代的特点描述为神经网络、DNA或光计算系统的产生。在我们进入第六代或第七代之前，无论时代将带来什么，我们可能都无法给第五代下定义。集成电路及其生产在我们周围随处可以发现集成电路——从计算机、汽车到冰箱和电话。最先进的电路在指甲大小的面积上包含数亿（甚至数十亿）个元器件。在这些先进的电路中，晶体管的尺寸可以小到45nm。数千个这样的晶体管放在一起只有人的一根头发丝的截面大小。

如何制造集成电路呢？它们是在半导体生产设备中制造的。因为元件非常小，必须采取一切预防措施以确保有一个无菌、无颗粒的环境，所以生产是在“洁净室”中进行的。没有灰尘，没有皮肤细胞，没有烟甚至没有细菌。工作人员必须穿通常称为“兔子套装”的洁净服，确保即使是最微小的颗粒也不能进到空气中。

这个过程从芯片设计开始，设计的最终结果是形成一种掩模，用包含电路模式的模板或蓝图表示。然后，在硅晶片表面覆盖氧化物绝缘层，紧接着覆盖一层名为光阻材料的感光膜。这种光阻材料被紫外光照射的区域会分解，没被照射的区域不会分解。然后用紫外光通过掩模照射硅片（这一过程称为光刻）。紫外光照射光阻材料后剩下了裸露的氧化物。然后用化学“蚀刻”（etching）溶解暴露出的氧化层，并且要去除没有受到紫外光照射的剩余光阻材料。“掺杂”过程是在硅中嵌入某种杂质，改变未保护区域的电特性，这样基本上创建了晶体管。然后芯片再覆盖一层绝缘氧化物材料和一层光阻材料，并且重复整个过程几百次，每重复一次就创建了芯片的新的一层。用相似的过程使用不同的掩模可创建连接芯片上元件的导线。这个电路最后封装在保护塑料壳中，经测试后运出。

随着元件变得越来越小，用于制造它们的设备必须不断提高质量。这些年来，这导致了制造集成电路的成本急剧增加。20世纪80年代初，建立一个半导体工厂的成本大约是1000万美元。到20世纪80年代后期，这个成本已经增加到大约2亿美元。到20世纪90年代后期，建立一个集成电路制造厂的成本大约在10亿美元。2005年，Intel为了一个制造设备花了大约20亿美元，2007年为了使3个工厂能够生产一种更小的处理器投资了大约70亿美元来更换设备。2009年，AMD在纽约州北部开始建立一个投资42亿美元的芯片制造设备。

制造集成电路的生产设备并不是唯一的高成本项目。设计芯片和创建掩模的成本从100万美元到300万美元不等，越小的芯片成本越高，越大的芯片成本越低。芯片的设计成本和制造设备成本那么高，而我们却可以用大约100美元就能在计算机商店买一个Intel微处理器芯片，这确实太让人惊讶了。