电子计技术对于计算机发展的推动——以中央处理器（CPU）为例

摘要：随着电子技术的不断创新和进步，计算机的性能和功能得到了进一步的发展。本文聚焦于计算机的中央处理器（CPU），通过阐述其随着电子技术发展而产生的变化历程，深入剖析电子技术对计算机硬件发展的推动作用，展现二者紧密的关联及电子技术的重要影响力。

关键词：电子技术，CPU，集成电路，芯片，算力，人工智能，机器学习，大数据

引言

计算机作为现代社会不可或缺的工具，其性能的不断提升得益于硬件的持续发展。而在众多计算机硬件部件中，中央处理器（CPU）无疑起着核心作用，它的发展演变与电子技术的进步息息相关，电子技术的每一次突破都为 CPU 的性能提升带来了新的契机。其中，也诞生了计算机历史上比较著名的定理，如摩尔定理，即每过 18 个月，中央处理器（CPU）的价格下降一半，性能提高一倍。

正文

电子技术发展初期和早期 CPU

在电子技术发展的早期阶段，那时主要采用电子管技术。世界上第一台通用计算机 ENIAC 便是以电子管作为基础元件构建其 CPU 等部件的。电子管体积庞大、能耗极高且容易损坏，这使得当时的 CPU 运算速度慢、处理能力有限，计算机整体体积也十分巨大，只能应用于一些特定的科研等领域。不过，电子管的出现也开启了利用电子技术打造计算机核心部件的大门，为后续发展奠定了基础。自从世纪的计算机创立之后，无论是作为一门学科还是一种器件，计算机的作用都巨大，有着 21 世纪工业奇迹的美誉，这当然要归功于电子管技术向晶体管技术发展，使得电子计算机不断小型化，家庭化。

第一代电子计算机采用的电子管元件有许多明显缺点，如，在运行时产生的热量太多，可靠性较差，运算速度不快，价格昂贵，体积庞大，这些都使计算机发展受限。第二代电子计算机时代是从 1958 年到 1964 年，第二代电子计算机全部采用晶体管作为电子器件，其运算速度比第一代电子计算机的运算速度提高了近百倍，体积为原来的几十分之一。[1]

随着晶体管的发明，电子技术迎来了重大变革。晶体管相比于电子管，体积大幅缩小、功耗显著降低且可靠性增强。基于晶体管技术的 CPU 开始出现，像第二代计算机的 CPU 便采用了晶体管，这使得计算机的运算速度有了明显提升，而且计算机的体积也得以缩小，应用范围开始逐渐拓展到商业等更多领域，电子技术的这一进步让 CPU 在性能和适用性上迈出了重要的一步。

集成电路时代的 GPU 变革

集成电路的诞生更是电子技术发展的一座里程碑。它将众多的晶体管等元件集成到一块小小的芯片上，极大地提高了电子元件的集成度。当 CPU 开始采用集成电路技术后，性能得到了质的飞跃。例如，英特尔公司早期推出的基于集成电路的 CPU 产品，能够在更小的空间内实现更复杂的运算逻辑，使得计算机的处理能力大大增强，运算速度成倍增长，并且计算机的体积进一步缩小，成本也有所降低，个人计算机开始逐渐走入普通家庭，这一切都得益于集成电路这种电子技术成果对 CPU 的重塑。

集成电路下，原本庞大的计算机处理中心转化为一小块的芯片，使得计算机的体积进一步减小，以英特尔为代表的一些芯片公司得到发展，个人便携式计算机逐渐问世。

集成电路的发展导致了两个效应：一方面，晶体管的面积要求减小了，因此可以在芯片上容纳更多的晶体管（集成度提高），从而在同样的芯片面积上实现更多的功能。另一方面，晶体管的开关速度更快，因此电路可以以更高的时钟频率运行，进而提高了计算能力。[2]

超大规模集成电路下的 CPU 现状

如今，我们处于超大规模集成电路的时代，在一块 CPU 芯片上可以集成数以亿计的晶体管。电子技术在微纳加工等方面不断精进，使得 CPU 的制程越来越小，比如已经从早期的微米级别发展到如今的纳米级别。这不仅让 CPU 的运算速度达到了惊人的程度，而且在多核心、多线程等技术方面也不断突破，能够同时处理海量的复杂任务，计算机的性能也随之达到了前所未有的高度，满足了当下人们在人工智能、大数据处理等众多领域对高性能计算的需求。

如今状态下，计算机的芯片晶体管密度可以达到 180 亿次，设计制程可以达到 3nm 水平，全球诞生了一系列的芯片设计公司如 Apple 公司，海思芯片公司等，还有许多的芯片制造公司，如台积电公司，荷兰阿斯麦公司。

同时，超大规模集成电路下的 CPU，也就是我们俗称的芯片，伴随着晶体管密度的上升，算力不断提升，为将来的人工智能，大数据等科学的发展做了很多的铺垫。

新时代下 CPU 的发展趋势

虽然说目前的的芯片晶体管的密度十分高，算力十分强，但是仍然有许多的不足，比如目前的生成式人工智能愈发流行，很多模型的训练需要耗费大量的算力，这当然可以通过 GPU 来进行弥补，但是很多时候，CPU 的性能仍然需要不断提升，才能够提高兼容性，许多计算机面临着内置集成 AI 的需求，这对于 CPU 的性能要求就更高了。所以，目前有很多的新的发展趋势，

芯粒设计和芯片三维堆叠系统的集成技术，是未来算力提升过程中工艺实现的手段和方法。芯粒和传统的裸芯片区别巨大。芯粒是一种特殊的裸芯片，它有特定功能和标准互连结构多个芯粒可以在在封装级进行组合并形成完整的微系统。这需要从“复用”的角度来考虑这一问题，芯粒单一使用次数相对而言比较多的，但还没有达到“复用”模式。多芯粒具有集成优势，用成熟工艺来实现芯粒可以有效降低成本。基于芯粒的集成并不依照摩尔定律只追求高功率线宽，第二个更小的裸芯片面积更小，对良率的提升具有非常大的价值。[3]

所以按照目前的趋势来看，芯片（CPU）的发展会向着多芯粒的方向不断发展。

总结

总结来看电子技术对于计算机发展的推动十分明显，无论是从存储器，显示器，还是本文所聚焦的中央处理器，本文所聚焦的中央处理器，是计算机运算的核心，从第一代的电子管到后来的晶体管，以及后来的高密度的晶体管，到未来可能会有希望出现的芯粒设计和芯片堆叠，无不展现了 CPU 对于计算机的重要影响。

在未来，更多新兴的电子技术肯定还会在其他方面继续影响电子计算机的发展，甚至可能会对计算机的形态和运算原理产生深远影响，所以我们一定要关于电子技术，并及时在计算机领域运用相关技术。

引用

[1]俞望年.电子计算机的出现与发展(下)[J].少儿科技,2021,(Z2):72-73.
[2]吴川斌.飞跃 80 年：计算机的诞生与发展[J].中国工业和信息化,2024,(12):68-73.DOI:10.19609/j.cnki.cn10-1299/f.2024.12.002.
[3]黄思维.后摩尔时代芯片算力提升的途径[J].高科技与产业化,2022,28(01):58-61.