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晶体管计算机 编辑词条词条保护

词条创建者 随风

晶体管计算机是指20世纪50年代末到60年代的计算机。主机采用晶体管等半导体器件,以磁鼓和磁盘为辅助存储器,采用算法语言(高级语言)编程,并开始出现操作系统。由于采用晶体管代替电子管,所以很轻,且运算速度比较快,达到每秒几十万次。

晶体管计算机简介

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(1)特征:硬件方面,用晶体管做逻辑元件,磁芯材料做存储器;软件方面,用髙级程序设计,应用方面,向数据处理、过程控制方面拓展。

(2)大事记:出现了高级语言Fortran。

晶体管计算机的基本逻辑元器件由电子管改为晶体管(Transistor),内存储器大量使用磁性材料制成的磁芯,外存储器采用磁盘。与此同时,计算机软件技术也有了较大发展,提出了操作系统的概念;编程语言除了汇编语言外,还开发了Ada、FORTRAN、COBOL等高级程序设计语言,使计算机的工作效率大大提高。IBM700系列是第2代计算机的典型代表。与第一代电子管计算机相比,晶体管计算机体积小,重量轻,速度快,逻辑运算功能强,可靠性大大提高。其应用从军事及尖端技术扩展到数据处理和工业控制方面。

半导体材料的发明,尤其是硅半导体材料的应用,为晶体管计算机的发明奠定了基础。1957年,美国制成全部使用晶体管的计算机,第二代计算机诞生了。晶体管比电子管功耗小、体积小、重量轻、工作电压低、工作可靠性好。用晶体管取代电子管,使计算机体积大为缩小,计算机的运算速度提高到每秒几十万次,比第一代电子管计算机提高了近百倍。

晶体管计算机发展状况

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1955年,美国在阿塔拉斯洲际导弹上装备了以晶体管为主要元件的小型计算机。10年以后,在美国生产的同一种型号的导弹中,由于改用集成电路元件,重量只有原来的1/100,体积与功耗减少到原来的1/300。

1958年,美国的IBM公司制成了第一台全部使用晶体管的计算机RCA501型。由于第二代计算机采用晶体管逻辑元件,及快速磁芯存储器,计算速度从每秒几千次提高到几十万次,主存储器的存贮量,从几千提高到10万以上。1959年,IBM公司又生产出全部晶体管理的电子计算机IBM7090。1958~1964年,晶体管电子计算机经历了大范围的发展过程。从印刷电路板到单元电路和随机存储器,从运算理论到程序设计语言,不断的革新使晶体管电子计算机日臻完善。

晶体管计算机

1961年,世界上最大的晶体管电子计算机ATLAS安装完毕。

1964年,中国制成了第一台全晶体管电子计算机441—B型。

(注:配图为贝尔实验室使用800只晶体管组装的世界上第一台晶体管计算机——TRADIC)

真空管时代的计算机尽管已经步入了现代计算机的范畴,但因其体积大、能耗高、故障多、价格贵,从而制约了它的普及和应用。直到晶体管被发明出来,电子计算机才找到了腾飞的起点。

1947年:Bell实验室的WilliamB.Shockley、JohnBardeen和WalterH.Brattain发明了晶体

管,开辟了电子时代新纪元。1949年:剑桥大学的Wilkes和他的小组制成了一台可以存储程序的计算机,输入输出设备仍是纸带。

晶体管计算机

1949年:EDVAC(ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer–电子离散变量自动计算机)–第一台使用磁带的计算机。这是一个突破,可以多次在磁带上存储程序。这台机器是JohnvonNeumann提议建造的。

1950年:日本东京帝国大学的YoshiroNakamats发明了软磁盘,其销售权由IBM公司获得。由此开创了存储时代的新纪元。

1951年:GraceMurrayHopper完成了高级语言编译器。

1951年:UNIVAC-1–第一台商用计算机系统诞生,设计者是J.PresperEckert和JohnMauchly。

被美国人口普查部门用于人口普查,标志着计算机进入了商业应用时代。

1953年:磁芯存储器被开发出来。

1954年:IBM的JohnBackus和他的研究小组开始开发FORTRAN(FORmulaTRANslation),1957年完成。这是一种适合科学研究使用的计算机高级语言。

1957年:IBM成功开发第一台点阵式打印机。

中国发展过程:

1964年8月,441-B晶体管计算机调试成功,开始试算题目了。这一天,没有开大会,没有照相,也没有新闻报道,消息依然长上翅膀远飞。许多单位闻讯,纷纷向国防科委要求马上装备441-B机。成都电讯工程学院于9月1日和14日两次向国防科委四局、八局提出复制441-B机的要求。

1964年9月29日,国防科委[ 64]科四字第1126号文批复:同意西安军事电讯学院、北京工业学院、上海交通大学、成都电讯工程学院、西北工业大学和三机部六院一所(601所)、六机部七院六所(706所)等七单位复制441-B晶体管计算机,主要器材由国防科委组织提供,向每个单位拨款60万元人民币。

10月,哈军工决定成立计算机研究室,代号408。

28-31日,国防科委四局为了这次复制召开座谈会,发出了会议纪要:1965年3月1日至4月17日,国防科委在哈军工举办计算机培训班,这次培训不光是学习知识和技术,各参加单位要联手做出自己使用的计算机。

除去参加复制441-B的五所高校、两个研究所,还有哈尔滨工业大学、738厂、炮兵研究所、总参测绘局、核试验基地、兵器试验基地、总字4497部队和国防科委四局共16个单位64人参加培训。这次集结成为计算机领域中的一次盛大聚会,也是十年来计算机事业的一次大规模的成功跳跃。

国防科委对这次培训提出严格要求,也是最基本的要求:首先,全部开放441-B计算机技术,由直接参加电路设计的人员讲课,讲到学员都明白;第二,仅有的一台计算机要供学员们操作;第三,图纸完整、资料完整,使培训单位能够自行生产。

1965年4月,国防科委再次指示哈军工复制三台441-B晶体管计算机,供三个试验基地的紧急需要。408研究室立即行动。是年底,第一台计算机运往核试验基地;1966年10月,第二台机器运往20基地;11月,第三台机器运往兵器试验基地。三台机器都发挥了重要作用。 441-B计算机是第二代晶体管计算机的第一个型号,不过研发的第一台机器还不是印刷电路,只是布线板,可也是学院的“大宝贝”。几所院校计算机专业的回忆录都记述了培训经历,从此数字大道一路畅通。441-B学习班的技术资料也很精致,电路插件图是四开大的横排本子,铜版纸印刷,每种插件都有原理图和印刷电路的版图,一个学习单位赠送一套。不过所有单位的图纸随着机器退役也收缴销毁,至今没有发现原件。

康鹏作为培训主讲人,从电路讲起,到硬件、电路板,再到整个指令结构、逻辑结构;刘文玺讲逻辑电路;谭信讲电源;任连仲讲存储器;王振青讲外部设备,将知识和创新精神一起复制出去。王振青是哈军工1961年的计算机研究生,没结业就参加了441-B工程,他的理论水平和操作能力都很高,一直参与计算机设计、生产和调试,还有计算机复制与邮电部的长途自动电话项目辅导等。

441-B机所需的主要器件当时十分缺乏,晶体三极管、二极管、记忆磁芯和阻容器件等由国防科委出面安排厂家定点生产、

统一供配。这次复制的参与单位分担整机设计和制造加工分工,协作小组组长“成电”,副组长“交大”,各单位技术负责人参加机械结构工艺设计、印制电路设计和器材三个专业小组,分头在上海交大、哈军工和京工领导下工作。

北京工业学院承担磁芯板设计、制造,提供整机配套磁芯板,成都电讯工程学院承担磁芯测试仪和电灼式打印机,西安军事电信工程学院生产晶体管测试仪,上海交通大学负责机箱设计、制造,成品喷漆和色彩各单位自便。

成电成立了441-B工程领导小组:张志浩副系主任任组长,周锡令为技术总负责人,程正贤主管行政事务,原均任政治协理员。工程组有上百人,其中运控组负责人:王学均、黄安南、郭宗桂;存储组负责人:袁宏春、朱景义;软件组负责人:龚天富、许家材;外设组负责人:章鉴汀、欧慎章;电源组负责人:周明天,还有焊接组、磁芯测试组、印制工艺加工组等。

在主楼三层提供了五个房间,共216平方米,主楼西一层还使用了几个房间,作为车间和工作坊。

成电数学专业的龚天富、杨声林、陈景春、许家材、黄天发五位教师,自1964年初至1965年9月,到哈军工参加程序开发,为全面运用计算机打下基础。从成都到东北要在北京换车,黄天发买不上卧铺车票,上车一直站到山海关才有了座位。哈军工的教员带着军大衣到车站迎接,在雪花漫天飞舞的北国,让身穿毛衣的他们一下子就感到了全身的温暖。

从1965年5月至1966年4月,完成了15种单元电路重新定型和测试,直流供电电源研制,磁芯测试仪设计、生产与调试,数以干计的晶体三极管、二极管的高温老化及筛选,数十万颗记忆磁芯的测试挑选和40块磁芯板的穿线制作,上千个脉冲变压器的绕制与测试,插件板焊接,四百多块插件板的

功能模拟测试,部件分调、整机联调与系统可靠性测试等大量工作。

大家互通有无、同舟共济、共克难关。三机部六院一所缺少20线插头座,成电支援200副,成电教师周锡令巡回排除磁芯测试仪故障。缺少3AA型、3ZK型大功率晶体管,七院六所支援成电25只、上海交大15只、哈军工15只、西军电15只、西工大10只,哈军工调拨一批10毫米×6毫米×5毫米脉冲变压器磁芯,使30台磁芯测试仪按时顺利完成。

上海交大连续复制三台441-B计算机,供4497部队和七院七所使用。1966年5月,441-B机由专机空运重庆,参加“全国仪器仪表新产品展览会”西南地区展,观众对计算机性能惊叹不已。441-B晶体管计算机终于在成电运行起来,这是西南地区第一台全晶体管通用数字计算机。

晶体管

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晶体管(transistor)是一种固体半导体器件,可以用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制和许多其它功能。晶体管作为一种可变开关,基于输入的电压,控制流出的电流,因此晶体管可作为电流的开关,和一般机械开关(如Relay、switch)不同处在于晶体管是利用电讯号来控制,而且开关速度可以非常之快,在实验室中的切换速度可达100GHz以上。

半导体三极管

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半导体三极管,是内部含有两个PN结,外部通常为三个引出电极的半导体器件。它对电信号有放大和开关等作用,应用十分广泛。输入级和输出级都采用晶体管的逻辑电路,叫做晶体管-晶体管逻辑电路,书刊和实用中都简称为TTL电路,它属于半导体集成电路的一种,其中用得最普遍的是TTL与非门。TTL与非门是将若干个晶体管和电阻元件组成的电路系统集中制造在一块很小的硅片上,封装成一个独立的元件。半导体三极管是电路中应用最广泛的器件之一,在电路中用“V”或“VT”(旧文字符号为“Q”、“GB”等)表示。

分类

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半导体三极管主要分为两大类:双极性晶体管(BJT)和场效应晶体管(FET)。晶体管有三个极;双极性晶体管的三个极,分别由N型跟P型组成发射极(Emitter)、基极(Base)和集电极(Collector);场效应晶体管的三个极,分别是源极(Source)、栅极(Gate)和漏极(Drain)。晶体管因为有三种极性,所以也有三种的使用方式,分别是发射极接地(又称共射放大、CE组态)、基极接地、集电极接地。最常用的用途应该是属于讯号放大这一方面,其次是阻抗匹配、讯号转换……等,晶体管在电路中是个很重要的组件,许多精密的组件主要都是由晶体管制成的。

晶体管计算机

三极管的导通三极管处于放大状态还是开关状态要看给三极管基极加的直流偏置,随这个电流变化,三极管工作状态由截止-线性区-饱和状态变化而变,如果三极管Ib(直流偏置点)一定时,三极管工作在线性区,此时Ic电流的变化只随着Ib的交流信号变化,Ib继续升高,三极管进入饱和状态,此时三极管的Ic不再变化,三极管将工作在开关状态。

三极管为开关管使用时工作在饱和状态1,用放大状态1表示不是很科学。

请对照三极管手册的Ib;Ic曲线加以参考我的回答来理解三极管的工作状态,三极管be结和ce结导通三极管才能正常工作。

如果三极管没有加直流偏置时,放大电路时输入的交流正弦信号正半周时,基极对发射极而言是正的,由于发射结加的是反向电压,此时没有基极电流和集电极电流,此时集电极电流变化与基极反相,在输入电压的负半周,发射极电位对于基极电位为正的,此时由于发射极加的是正向电压,才有基极和集电极电流通过,此时集电极电流变化与基极同相,在三极管没有加直流偏置时三极管be结和ce结导通,三极管放大电路将只有半个波输出将产生严重的失真。

影响

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晶体管被认为是现代历史中最伟大的发明之一,在重要性方面可以与印刷术,汽车和电话等发明相提并论。晶体管实际上是所有现代电器的关键活动(active)元件。晶体管在当今社会的重要性,主要是因为晶体管可以使用高度自动化的过程,进行大规模生产的能力,因而可以不可思议地达到极低的单位成本。

虽然数以百万计的单体晶体管还在使用,但是绝大多数的晶体管是和电阻、电容一起被装配在微芯片(芯片)上以制造完整的电路。模拟的或数字的或者这两者被集成在同一块芯片上。设计和开发一个复杂芯片的成本是相当高的,但是当分摊到通常百万个生产单位上,每个芯片的价格就是最小的。一个逻辑门包含20个晶体管,而2005年一个高级的微处理器使用的晶体管数量达2.89亿个。

晶体管的低成本、灵活性和可靠性使得其成为非机械任务的通用器件,例如数字计算。在控制电器和机械方面,晶体管电路也正在取代电机设备,因为它通常是更便宜、更有效的,仅仅使用标准集成电路并编写计算机程序来完成同样的机械任务,使用电子控制,而不是设计一个等效的机械控制。

因为晶体管的低成本和后来的电子计算机、数字化信息的浪潮来到了。由于计算机提供快速的查找、分类和处理数字信息的能力,在信息数字化方面投入了越来越多的精力。今天的许多媒体是通过电子形式发布的,最终通过计算机转化和呈现为模拟形式。受到数字化革命影响的领域包括电视、广播和报纸。

英文简述

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Atransistorisasemiconductordevice,commonlyusedasanamplifieroranelectricallycontrolledswitch.Thetransistoristhefundamentalbuildingblockofthecircuitrythatgovernstheoperationofcomputers,cellularphones,andallothermodernelectronics.

Becauseofitsfastresponseandaccuracy,thetransistormaybeusedinawidevarietyofdigitalandanalogfunctions,includingamplification,switching,voltageregulation,signalmodulation,andoscillators.Transistorsmaybepackagedindividuallyoraspartofanintegratedcircuit,whichmayholdabillionormoretransistorsinaverysmallarea.

研制过程

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1947年12月,美国贝尔实验室的肖克莱、巴丁和布拉顿组成的研究小组,研制出一种点接触型的锗晶体管。晶体管的问世,是20世纪的一项重大发明,是微电子革命的先声。晶体管出现后,人们就能用一个小巧的、消耗功率低的电子器件,来代替体积大、功率消耗大的电子管了。晶体管的发明又为后来集成电路的降生吹响了号角。

20世纪最初的10年,通信系统已开始应用半导体材料。20世纪上半叶,在无线电爱好者中广泛流行的矿石收音机,就采用矿石这种半导体材料进行检波。半导体的电学特性也在电话系统中得到了应用。

晶体管的发明,最早可以追溯到1929年,当时工程师利莲费尔德就已经取得一种晶体管的专利。但是,限于当时的技术水平,制造这种器件的材料达不到足够的纯度,而使这种晶体管无法制造出来。

由于电子管处理高频信号的效果不理想,人们就设法改进矿石收音机中所用的矿石触须式检波器。在这种检波器里,有一根与矿石(半导体)表面相接触的金属丝(像头发一样细且能形成检波接点),它既能让信号电流沿一个方向流动,又能阻止信号电流朝相反方向流动。在第二次世界大战爆发前夕,贝尔实验室在寻找比早期使用的方铅矿晶体性能更好地检波材料时,发现掺有某种极微量杂质的锗晶体的性能不仅优于矿石晶体,而且在某些方面比电子管整流器还要好。在第二次世界大战期间,不少实验室在有关硅和锗材料的制造和理论研究方面,也取得了不少成绩。这就为晶体管的发明奠定了基础。为了克服电子管的局限性,第二次世界大战结束后,贝尔实验室加紧了对固体电子器件的基础研究。肖克莱等人决定集中研究硅、锗等半导体材料,探讨用半导体材料制作放大器件的可能性。

1945年秋天,贝尔实验室成立了以肖克莱为首的半导体研究小组,成员有布拉顿、巴丁等人。布拉顿早在1929年就开始在这个实验室工作,长期从事半导体的研究,积累了丰富的经验。他们经过一系列的实验和观察,逐步认识到半导体中电流放大效应产生的原因。布拉顿发现,在锗片的底面接上电极,在另一面插上细针并通上电流,然后让另一根细针尽量靠近它,并通上微弱的电流,这样就会使原来的电流产生很大的变化。微弱电流少量的变化,会对另外的电流产生很大的影响,这就是“放大”作用。

布拉顿等人,还想出有效的办法,来实现这种放大效应。他们在发射极和基极之间输入一个弱信号,在集电极和基极之间的输出端,就放大为一个强信号了。在现代电子产品中,上述晶体三极管的放大效应得到广泛的应用。

巴丁和布拉顿最初制成的固体器件的放大倍数为50左右。不久之后,他们利用两个靠得很近(相距0.05毫米)的触须接点,来代替金箔接点,制造了“点接触型晶体管”。1947年12月,这个世界上最早的实用半导体器件终于问世了,在首次试验时,它能把音频信号放大100倍,它的外形比火柴棍短,但要粗一些。

在为这种器件命名时,布拉顿想到它的电阻变换特性,即它是靠一种从“低电阻输入”到“高电阻输出”的转移电流来工作的,于是取名为trans-resister(转换电阻),后来缩写为transister,中文译名就是晶体管。

由于点接触型晶体管制造工艺复杂,致使许多产品出现故障,它还存在噪声大、在功率大时难于控制、适用范围窄等缺点。为了克服这些缺点,肖克莱提出了用一种“整流结”来代替金属半导体接点的大胆设想。半导体研究小组又提出了这种半导体器件的工作原理。

1950年,第一只“面结型晶体管”问世了,它的性能与肖克莱原来设想的完全一致。今天的晶体管,大部分仍是这种面结型晶体管。

1956年,肖克莱、巴丁、布拉顿三人,因发明晶体管同时荣获诺贝尔物理学奖。

康鹏和中国首台晶体管计算机

1966年春天,康鹏还只是哈尔·滨军事工程学院的中尉衔助教。当他在408计算机研究室的一个角落里,为中国首台晶体管计算机“441-B”的继续研发而冥思苦想时,聂荣臻同志签发给他的“发明证书”已送到学院:当几级首长正准备隆重表彰他时。那场持续十年的浩劫开始了。这不仅阻止了“仪式”,也使证书至今无影无踪。

2006年9月5日,“纪念中国计算机教育50周年”座谈会在清华大学举行,中国计算机界先驱10多人出席。清华、北大两校专家特别称赞20世纪60年代的哈军工“做出了441-B计算机的一流工作,比我们做得都好”。这些第一流工作自然离不开康鹏。

哈军工的“441-B”是中国第一台晶体管计算机。也是中国首次自主创新且实现工业化批量生产的计算机,它应用在“两弹一星”、歼六、海军、空军、二炮,以及中国电信、大庆油田,以生产100余台的数量创造了当时的全国第一。而康鹏发明的“隔离阻塞一推拉触发器电路”是它的核心部分,后被称为“康鹏电路”。

1958年,中国科学院向计算所下达了研制109亿晶体管计算机的任务。华北计算所于1962年也开始研制108架晶体管计算机。用了两年时间安装好109机,一通电,几分钟就出一次故障,称为“跳动”、“抓鬼”(故障现象不重复)。这时,国外计算机界权威断言:中国5年之内做不出晶体管通用计算机。

康鹏邀请正在负责研制119型大型通用电子管计算机的中科院计算所吴几康先生和后来成为院士的高庆狮、沈绪榜二人前来参观。吴先生很欣赏康鹏。他对慈云桂说:“康鹏思路很敏捷,有很丰富的想像力。”他还要求康鹏做出40位的运算器,很快也成功了。

晶体管计算机主要特点

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人们把1959-1964年出现的晶体管计算机称为第二代计算机。通常具有以下特点:

(1)用晶体管代替了电子管。晶体管有一系列优点:体积小、重量轻、发热少、耗电省、速度快、寿命长、价格低、功能强。用它做计算机的开关元件,使计算机的结构与性能都发生了新的飞跃。

(2)普遍采用磁心存储器做内存,并采用磁盘与磁带做内存。这就使存储容量增大,可靠性提高,为系统软件的发展创造了条件。

(3)计算机体系结构中许多意义深远的特性相继出现,例如变址寄存器、浮点数据表示,中断、I/O处理等。

(4)汇编语言取代了机器语言,而且开始出现FORTRAN、CDBOL等高级语言。

(5)计算机的应用范围进一步扩大,开始进入过程控制等领域。

与电子管计算机相比,晶体管计算机包含了操作系统,它能够为输入输出、内存管理、存储和其他的资源管理活动提供标准化的程序。开发应用程序不再需要写资源管理程序了,这些操作系统允许程序员可以调用操作系统程序的应用软件。但是,IBM公司和其他计算机生产商早期开发的专用操作系统只能在特定的计算机上运行,它们各自有自己唯一的命令集来调用它们的程序。这意味着程序员每学一种操作系统就要重新学习一种编程,这也在一定程度上限制了它们的发展。

诞生

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1947年12月,美国贝尔实验室的肖克利、巴丁和布拉顿组成的研究小组,研制出一种点接触型的锗晶体管。由于其响应速度快,准确性高,可用于各种各样的数字和模拟功能器件,包括放大、开关、稳压、信号调制和振荡等器件。晶体管的问世,是20世纪的一项重大发明,是微电子革命的先声。1948年6月30日,贝尔实验室主任鲍恩郑重宣布:“我们将该项发明称之为晶体管,它是一种电阻或半导体器件,能将通过它的电信号进行放大。”1956年,肖克利、巴丁、布拉顿因发明晶体管同时荣获诺贝尔物理学奖。

计算机发展阶段

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(1)第一代:电子管计算机(1946-1957年)

电子管计算机的基本逻辑单元器件是电子管(ElectronicTube),内存储器采用水银延迟线或磁鼓,外存储器采用磁带等。其缺点是:速度慢,可靠性低,体积庞大,能耗高,价格昂贵。编程语言主要采用机器语言,后来发展了汇编语言编程,但调试工作十分繁琐,其用途仅局限于军事科学研究的科学计算。

(2)第二代:晶体管计算机(1958-1964年)

晶体管计算机的基本逻辑元器件改为晶体管(Transistor),内存储器大量使用了磁性材料,外存储器采用磁盘和磁带。运算速度从每秒几万次提高到几十万次乃至几百万次。同时,计算机软件技术也有了较大突破,提出了操作系统的概念,还开发了FORTRAN、COBOL等高级程序设计语言,这使计算机的工作效率大大提高。晶体管计算机体积小,重量轻,速度快,逻辑运算功能强,可靠性大为提高,应用领域扩展到了数据处理、工业控制等领域。

(3)第三代:中、小规模集成电路计算机(1964-1971年)

1958年JackKilby发明了集成电路(IntegratedCircuit,IC),它是一种把晶体管、三极管、电阻、电容、电感及布线都加工到一片小小的硅片上的电子器件,不久科学家们又把更多的电子元件集成到了单一的半导体芯片上。于是,计算机变得更小,功耗更低,速度更快。同时,操作系统的使用使得计算机在中心程序的控制协调下可以同时运行许多不同的程序。IBM360是最为著名的集成电路计算机。

(4)第四代:大规模及超大规模集成电路计算机(1971年至今)

进入20世纪70年代以来,计算机逻辑器件采用大规模集成电路(LargeScaleIntegration,LSI)和超大规模集成电路(VeryLargeScaleIntegration,VLSI)技术,在硅半导体上集成了大量的电子元器件,集成度很高的半导体存储器也取代了磁芯存储器。同时,操作系统不断完善,各种应用软件也成为了现代工业的一部分。

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