1.1.5 元器件的发展

在计算机发展的过程中，人们需要寻找和发明能够进行数据自动存储、自动执行规则的元器件，元器件的发展与演变是计算工具发展的重要基础。计算机的元器件发展经历了电子管、晶体管、集成电路3个阶段。

1. 电子管

1895年，英国电器工程师约翰·弗莱明（John Fleming）发明了电子管（真空二极管），它是使电子单向流动的元器件。1907年，美国人德·福雷斯特（De Forest）发明了真空三极管，这一发明使他获得了“无线电之父”的称号。他在二极管的灯丝和板级间加了一块栅板，使电子流动可以控制。从而使电子管进入普及和应用阶段，并使电子管成为可用于存储和控制二进制数的电子元器件。世界上公认的第一台电子计算机ENIAC就是使用的电子管。

电子管比机械式继电器反应快、运算速度快，但缺点是体积大、可靠性低、能耗大、易损坏，如图1-10（a）所示。

2. 晶体管

1947年，美国贝尔（Bell）实验室发明了晶体管，晶体管可以控制电流和电压，还可以作为电子信号的开关，如图1-10（b）所示。20世纪50年代末，晶体管风靡全世界。与电子管相比，晶体管的体积更小、价格更便宜，并且能耗低、可靠。以晶体管为主要元器件的计算机体积更小，运算速度可提升至每秒数百万次。这一时期还出现了计算机操作系统，并且开始采用高级语言进行程序设计。晶体管计算机需要使用电线将数万个晶体管连接起来，其电路结构复杂，使得计算机的可靠性变低。

3. 集成电路

1958年，美国德州仪器公司的工程师杰克·基尔比（Jack Kilby）提出了集成电路的构想：在同一材料（硅块）上集成所有元件，并通过其上方的金属化层连接各个部分，自动实现复杂的变换。这样，就不再需要分立的独立元件，避免了手工组装元件、导线的操作。

集成电路使在单个小型芯片上集成数千个元件成为可能，大大降低了设备的体积、重量和能耗。由于其集成的元件个数多，运算速度也更快，如图1-10（c）所示。

大规模集成电路可以在一个芯片上集成几百个元件，20世纪80年代出现的超大规模集成电路（Very Large Scale Integrated Circuit，VLSI）可以在芯片上集成几十万个元件，如图1-10（d）所示，20世纪90年代的特大规模集成电路（Ultra Large Scale Integrated Circuit，ULSI）将数量扩充到了百万级。到了2012年，在一块采用超大规模集成电路技术的硅片上可以集成14亿个元件。

对于集成电路的发展，Intel公司创始人戈登·摩尔（Gordon Moore）提出了摩尔定律：当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目约每18个月会增加1倍，其性能也会提升1倍。