淺析計算機硬件發展史

付華

摘要：從1946年第一臺計算機誕生至今，計算機已經風風雨雨走過了近70年，這70年間，計算機慢慢向著運算速度快、精度高、存儲和記憶能力強、具有邏輯判斷能力和高自動化程度發展，是計算機硬件的迅猛發展使得這一切成為了可能，主要介紹了計算機存儲設備、元器件、處理器的發展歷史，為把握計算機未來發展的脈搏提供了依據和參考。

關鍵詞：計算機；硬件；發展；處理器；存儲設備

中圖分類號：TP301 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）13-0249-02

計算機硬件是指由計算機系統中各種電子、光電原件以及機械等組合而成的各種裝置所組成的有機整體，而這一有機整體是以計算機系統的結構和功能要求為前提的，從而為計算機軟件的運行提供了物質基礎，最終實現在計算機程序的控制之下進行數據的計算和輸入輸出等任務[1]。

就計算機硬件組成而言，計算機制造技術自1946年ENIAC研制成功以來其基本硬件結構依舊沿襲馮.諾伊曼的傳統框架，即輸入設備、輸出設備、運算器、控制器、存儲器五大基本構件組成計算機硬件系統，即使計算機已經得到了長足的發展。

1 計算機硬件的發展史

1.1以計算機元器件為象征的發展史

根據計算機所使用的主要器件，即電子管、晶體管、集成電路、大規模集成電路來劃分的話，相應的計算機硬件發展便大致可分為四代，即

第一代計算機（20世紀40-50年代），以1946年ENIAC的研制成功為標志。第一代計算機都建立在電子管基礎上，其缺點包括耗電量大、體積大、運算速度慢。

第二代計算機（1959-1964）。第二代計算機拋棄了電子管而使用晶體管，晶體管具有壽命長、重量輕、體積小和速度快的優點，相對于第一代計算機在性能和結構方面都有了很大的進步。以50年代末美國菲爾克公司研制成功的第一臺大型通用晶體管計算機為標志。

第三代計算機（1965-1970），第三代計算機更進一步，利用集成電路，而非晶體管和電子管。其以IBM公司研制成功的360系列計算機為標志。

第四代計算機（1971-至今）第四代計算機最為顯著的特征是利用了大規模集成電路和超大規模集成電路[2]，其以英特爾公司研制的第一代微處理器英特爾4004為代表，。

1.2以計算機處理器為代表的發展史

中央處理器CPU對于整個計算機的重要性不言而喻，因此其改進也通常被認為是整個計算機硬件技術進步的重要指標。雖然處理器的發展經歷了多個階段，但是可將其發展大致劃分為兩個較明顯的時代：即從1970年到2005年的單核時代和2006年開始進入的全新多核時代，在單核時代，CPU的明顯特征就是唯主頻論，而多核的出現標志著以主頻論英雄的時代正式結束。

CPU可以溯源到1971年，1971年11月15日，英特爾公司推出了世界上第一臺擁有2300個晶體管的微處理器4004，雖然具有速度很慢和功能有限的缺點，但畢竟是用于計算機的第一個4位微處理器。此后，英特爾公司推出了一系列處理器，如在1972年4月推出8080處理器和68000處理器，其主頻分別為2MHz和8MHz，每秒分別處理50萬條指令和70萬條指令；1978年6月推出的8086處理器、68000處理器和68020處理器，其主頻分別為8MHz、16MHz和16MHz，每秒分別處理80萬條、130萬條和260萬條指令；1982年4月推出80286、68030、386SX、68030和386DX處理器，其主頻分別為12MHz、16MHz、20MHz、25MHz、40MHz和33MHz，每秒分別處理270萬條、390萬條、600萬條、630萬條、1000萬條和1000萬條指令；在1989年4月推出486DX、486DX2-50和486DX4/100處理器，其主頻分別為25MHz、50MHz、100MHz，每秒分別處理2000萬條、3500萬條、6000萬條指令；在1993年3月分別推出Pentium處理器，其主頻分別有66MHz、133MHz和233MHz，每秒分別處理1億條、2.4億條和4.35億條指令；在1997年5月推出了PentiumⅡ處理器，其主頻包括233MHz和333MHz，每秒分別處理5.6億條指令和7.7億條指令；在1999年7月推出了PentiumⅢ處理器，最初時鐘頻率在450 MHz以上，總線速度在100 MHz；在2000年7月推出Willamette的Pentium4，外頻為400 MHz，其主頻從1.4G Hz起步[3]。這也印證了Intel公司創始人之一戈登·摩爾的經驗法則，即計算機處理器發展的摩爾定律：微處理器的處理能力每18個月到24個月將增加一倍。

而就多核處理器而言，早在上世紀末惠普公司就提出了雙核處理器概念，從2006年開始，處理器領域已進入了全新的多核時代，此后的CPU將會開啟雙核乃至多核的新紀元。多核設計的諸多優點包括提供更強的并行處理能力、更高的計算速度和更低的時鐘頻率、為摩爾定律帶來新的生命力以及又大大減少了散熱和功耗。

1.3以計算機存儲器為代表的發展史

內存一般采用半導體存儲單元，包括隨機存儲器（RAM），只讀存儲器（ROM）以及高速緩存。其中RAM是最重要的存儲器。而RAM又包括動態隨機存貯器和靜態隨機存貯器兩種。SRAM具有速度很快且不用刷新即能保存數據不丟失的優點，同時具有結構復雜的缺點，其內部需要使用更多的晶體管構成寄存器來保存數據，所以采用的硅片面積相當大，制造成本也相當高，所以其目前僅限應用于比主內存小得多的緩存上。而SRAM曾經是一種主要內存，利用雙穩態電路形式來存儲數據，但隨著英特爾公司在CPU中整合入L2高速緩存后，SRAM逐漸將應用重心轉移到網絡服務器、路由器、數字移動電話等上，才勉強得以繼續生長，而這主要是因為失去了最大應用需求來源。

1.3.1 同步動態隨機存取存儲器

DRAM，基本結構只包括一個電容和MOS管，具有集成度高、功耗低、結構簡單、生產成本低等的優點，相比于靜態RAM其構成要簡單得多，因而我們應用的內存大多是由DRAM構成的，且DRAM更適合制造大容量存儲器。DRAM可分為同步內存和異步內存兩種，其分類是根據內存訪問時是否能跟系統時鐘同步。多數位于北橋芯片組中的內存控制電路用于指定將訪問哪一塊存儲體，具體的方式是通過發出行地址選擇信號（RAS）和列地址選擇信號（CAS）來指定。SDRAM之前的Extended Data Out（擴展數據輸出）內存具有存取速度高的優點，達到60ns，使存取速度提高了30%，而主要是因為其取消了主板與內存兩個存儲周期之間的時間間隔，每隔2個時鐘脈沖周期傳輸一次數據。EDO內存的速度同樣會出現跟不上的狀況，該狀況出現于系統的速度逐漸增加甚至當66MHz頻率成為總線標準時，此時由于CPU總要等待內存的數據，嚴重影響了性能，內存成了制約其發展的瓶頸，因此同步系統時鐘頻率的SDRAM便出現了。

SDRAM（同步動態隨機存取存儲器）相比于DRAM和EDO來講，能夠大大提高存取效率，縮短存取時間。這是由于其時鐘頻率與CPU前端總線的時鐘頻率相同。其中“同步”是指其時鐘頻率與CPU前端總線的系統時鐘頻率相同，并且數據的傳輸和內部命令的發送都以該頻率為準；“動態”是指為保證所存儲數據不丟失存儲陣列需要不斷地刷新，“隨機”是指數據自由指定地址進行讀寫數據而非線性一次存儲。

1.3.2 雙通道同步動態隨機存取存儲器

起初電腦所使用的內存是焊接到主機板上的一塊塊IC，隨后發展為模塊化的條狀內存，相應地主板設計為內存插槽，從而內存條實現了隨意拆卸，這樣極大地方便了內存的維修和擴充。內存發展史上另一個里程碑式的事件是Rambus公司最早推出的一種內存規格—Rambus Dram，該內存是英特爾公司在連續推出PC100和PC133而其800MB/s和1064MB/s的帶寬差強人意的情況下為了占據市場與Rambus公司聯合推廣的。與同步系統時鐘頻率的SDRAM相比它采用了一種不同的架構，內存架構簡單且快捷，它基于RISC（reduced instruction set computing）理論，該理論是一種類精簡指令集計算機理論，該理論在減少數據復雜性的優勢下提高了整個系統的性能。Rambus理論帶寬達到了1.6GB/s，其實際速度為400MHz×2=800MHz，相當于PC100的兩倍。這主要源于可以同時在上升沿和下降沿傳輸數據，Rambus Dram雖然有其優點，但是由于其要收取相應的版權費，同時價格較為昂貴且工藝復雜，因此其他廠家提出了我們至今最主流的內存條—DDR內存，而DDR內存是基于Rambus雙向脈沖的特點。

DDR RAM（dual date rate SDRAM），即雙倍速率同步動態隨機存儲器，其實質上也是傳統同步系統時鐘頻率的SDRAM的升級版本，相對于傳統SDRAM在一個時鐘周期內只傳輸一次數據而言，DDR RAM之所以能夠成為DDR的數據傳輸速度為SDRAM的兩倍，主要是因為其能在時鐘信號上升沿與下降沿同時傳輸數據，因此便使得DDR內存能達到更高的數據傳輸率，且是與SDRAM在相同的總線頻率下。不僅如此，DDR采用了更先進的同步電路，使得數據輸送和輸出、指定地址等主要步驟既能與CPU保持完全同步，同時又能獨立執行，而這一優勢是傳統的SDRAM所不具備的。

DDR隨后內存又改進推出了DDR 2，該新生代內存是由電子設備工程聯合委員會開發的內存技術標準，相比于第一代DDR，DDR 2雖然采用了相同的上升/下降沿同時傳輸數據的基本方式，但因其采用了4bit數據預讀取（DDR技術的預讀取數位只有2位），其在每個時鐘內能夠以4倍外部總線的速度讀/寫數據。不僅如此，在時鐘頻率方面DDR 2也有了較大改進，推出了533、667和800MHz等的時鐘頻率，高端DDR 2甚至能達到1000MHz的頻率。目前來說DDR 2在市場上應用最為廣泛，DDR 3和4雖然已經推出，但是其主要在顯卡上廣泛應用，其中DDR 3的預讀取達到了8字節，不僅如此，其時鐘頻率甚至能達到1600MHz，帶寬則能達到12.8GB，除此之外，DDR 3還具有更低的延遲時間和更低的工作電壓，就工作電壓而言，由DDR 2的1.8V降低到1.5V，從而使功耗降低了20%，功耗的降低不僅能明顯降低電子元器件的發熱量而延長其使用壽命，對于筆記本來講也顯著延長了其待機時間。

參考文獻：

[1] 李斌. 計算機硬件的發展及相關問題研究[J].計算機光盤軟件與應用， 2013（14）： 302-304.

[2] 陳錦潤. 計算機硬件發展研究[J].時代人物， 2008（6）： 166-167.

[3] 黎箐. 淺談CPU發展史及計算機發展前景[J].電腦知識與技術， 2014（17）： 61-63.