1.2.5 第四代计算机

20世纪70年代初，微电子学飞速发展创造的大规模集成电路和微处理器给计算机工业注入了强大的发展动力，大规模（LSI）和超大规模（VLSI）集成电路成为计算机的主要器件。其集成度已从20世纪70年代初的几千个晶体管/片（如Intel 4004为2000个晶体管）到20世纪末的千万个晶体管/片（PⅢ已有近1000万个晶体管），主频速度也已超过1吉赫兹（1GHz）。这里，以最大的微处理器制造商Intel产品为例（见表1.1），可以看出，半导体集成电路的集成度越来越高，其速度也越来越快，其发展遵循一个定律——摩尔定律：“由于硅技术的不断改进，每18个月，集成度将翻一番，速度将提高一倍，而其价格将降低一半”。戈登·摩尔（Golden Moore）是Intel公司的创始人之一，摩尔定律是1965年美国《电子》杂志总编采访摩尔先生时他对半导体芯片工业发展前景的预测。多年来的实践证明，摩尔定律的预测非常准确，摩尔定律对计算机工业的发展具有如下重要意义：

① 由于定律预测半导体产品和技术每经过一年半时间将会加倍，因此如果发展速度慢于这个定律的指标，那么公司将有被淘汰的危险。“逆水行舟，不进则退”，这就迫使公司不断地改进技术，提高质量。

② 芯片价格的持续下降，一方面迫使公司必须采取正确的价格策略，以提高产品的竞争力，另一方面也为计算机的普及创造了有利条件。

③ 定律不仅适用于“硬件”，同时也驱动着软件产业和市场的发展。由于硬件性能的不断改进和提高，软件也必须适应硬件的发展而进行不断的修改与创新，否则也将面临被淘汰的危险。微软公司总裁比尔·盖茨经常以下面一句话来鞭策下属：“微软离破产永远只有一年半时间！”

表1.1 Intel CPU芯片性能比较

摩尔定律还能风光多久？什么时候该定律将寿终正寝？这早已引起了业界不少人士的关注。摩尔本人也在1995年国际光学工程协会的一次会议上回顾了半导体芯片的发展历史后承认，如果坚持他的定律所预测的道路，将会面临越来越多的困难和技术障碍，其中最突出的问题是制造芯片的成本将会大幅增加。专家们认为，摩尔定律面临着四大劫难：

① 传统工艺难以适应。目前芯片特征尺寸已发展到32nm，正在研制十几nm的器件，这极具挑战性，常规制造工艺将失效。一些大公司正在另辟蹊径寻找新工艺，但技术复杂，成本昂贵。

②“门”越来越窄。科学家们早已发现，电子能够挖出小小的隧道，从而通过该隧道绕过障碍物而从另一侧跑出来。目前芯片的“门”已经小于2nm，足以在“门”关闭时，电子挖出隧道而穿过该门，从而无法阻挡电子。

③ 搀质的使用接近极限。通常，搀质混入硅以改善半导体的导电率，增加局部电荷能力。晶体管虽然可缩小，但仍需保持相同的电荷。为了实现这一目的，这种硅必须有较高的搀质原子浓度。但当它大于某种极限时，搀质原子会凝集成块，使导电性能下降。目前芯片已经非常接近该极限。

④ 传统材料难以适用。目前芯片互连大多采用铝，但铝的导电性能容易导致芯片过早失效。因此，近年来芯片中采用铜布线互连已成为半导体产业的一个攻关热点。

随着超大规模集成电路与微处理器技术的长足进步和现代科学技术对提高计算能力的强烈要求，并行处理技术的研究与应用及众多巨型机的产生也成为这一时期计算机发展的特点。1996年，Cray公司推出的Cray-1向量巨型机，具有12个功能部件，运算速度达每秒1.6亿次浮点运算。不少巨型机采用成百上千个高性能处理器组成大规模并行处理系统，其峰值速度已达到每秒万亿至百万亿次。进入21世纪，美国、中国等国家已先后研制成功多台每秒超千万亿次的巨型计算机。

第四代机时期的一个重要特点是计算机网络的发展与广泛应用。进入20世纪90年代以来，由于计算机技术与通信技术的高速发展与密切结合，掀起了网络热。大量的计算机连到不同规模的网络中，然后通过Internet与世界各地的计算机互连。这样大大扩展和加速了信息的流通，增强了社会的协调与合作能力，使计算机的应用方式也由个人计算方式向分布式和群集式计算发展。因此，有人曾经这样说过：“计算机就是网络，网络就是计算机”。