17. 集成电路&摩尔定律-Integrated Circuits & Moore’s Law_哔哩哔哩_bilibili
1. 简介
在第 17 集中，视频主要介绍了从早期的分立元件到现代的集成电路（IC）的发展过程，以及摩尔定律的意义和影响。通过介绍电子计算机的发展历史，视频展示了硬件性能的爆炸性增长是如何支撑软件复杂性的提升的。
2. 早期计算机的发展
2.1 分立元件时代
1940 年代到 1960 年代中期，所有计算机都是由独立的分立元件组成。这些元件通过大量的线连接，形成复杂的电路系统。例如，ENIAC 计算机包含了超过 1.7 万个真空管、7 万个电阻、1 万个电容器和 7000 个二极管，需要 500 万个手工焊接点来连接。如果想提升性能，就需要增加更多的部件，这导致了“数字暴政”的问题。
2.2 晶体管的引入
1950 年代中期，晶体管开始商业化并逐渐被用在计算机中。晶体管比真空管更小、更快、更可靠，但仍然是分立元件。1959 年，IBM 将他们的 709 计算机从真空管全部换成了晶体管，产出了性能提升 6 倍且成本减半的 IBM 7090，这标志着第二代电子计算机的到来。然而，晶体管的引入并没有解决“数字暴政”的问题。
3. 集成电路的诞生
1958 年，Jack Kilby 在德州仪器展示了将所有电子电路元件集成在一起的电子部件，即集成电路（IC）。几个月后，Robert Noyce 领导的仙童半导体使用硅制作 IC，使之更为稳定和可靠。Noyce 因此被誉为现代集成电路之父，开创了电子时代。
3.1 早期 IC 的应用
早期的 IC 只有几个晶体管，但这些晶体管可以将简单的电路封装成单一部件，极大地简化了电路设计。工程师们结合使用印刷电路板（PCB）和 IC，能够大幅减少独立元件和电线，使得电路更小、更便宜、更可靠。
4. 光刻法的引入
为了实现更复杂的设计，需要全新的制作工艺——光刻法。光刻法是一种利用光将复杂图案转移到半导体材料上的技术。以下是一个简单的制作例子：
- 从一片硅（晶圆）开始。
- 加一层薄氧化层作为保护。
- 涂上光刻胶，被光照射后可溶的化学物质。
- 使用光掩膜遮挡部分区域，并用光照射。
- 洗掉暴露在光下的光刻胶，蚀刻氧化层和硅层。
- 通过掺杂改变硅的导电性能。
- 重复光刻步骤，并使用金属化工艺完成电路的金属连接。
5. 摩尔定律
1965 年，Gordon Moore 观察到，每两年可以在同样大小的空间内放置双倍数量的晶体管，即摩尔定律。这一趋势使得 IC 的价格急剧下降，同时晶体管变小、密度提高，性能也随之提升。
6. 集成电路的迅速发展
随着光刻技术的发展，晶体管的尺寸大幅缩小，达到纳米级别。现代的处理器如 iPhone 7 的 A10 CPU 包含 33 亿个晶体管，面积却只有 1 cm²。设计如此复杂的电路依赖于超大规模集成（VLSI）软件，可自动生成芯片设计。
7. 持续改进与未来挑战
尽管摩尔定律面临极限，科学家和工程师们仍在努力突破技术瓶颈，如开发更短波长的光源和应对量子隧穿效应。未来可能会实现更小尺寸的晶体管，但仍存在许多挑战。
8. 总结
- 分立元件构成早期计算机，存在“数字暴政”问题。
- 晶体管的引入标志着第二代电子计算机的到来。
- 集成电路（IC）的发明解决了复杂电路设计的问题。
- 光刻法是制作复杂集成电路的关键技术。
- 摩尔定律预测了集成电路性能和密度的爆炸性增长。
- 超大规模集成（VLSI）软件使得复杂芯片设计成为可能。
- 尽管摩尔定律面临挑战，技术进步仍在继续推动集成电路的发展。
