内存, 硬盘, CPU是拿什么材料制作的? 电子管, 晶体管与计算机硬件的发展史.

0.引子

从<<深入理解计算机系统>>一书上看到: CPU内寄存器读取速度比内存速度快100倍, 硬盘读取时间开销是内存的1000万倍.

从寄存器(也就是L0)->L1高速缓存->L2高速缓存->内存->硬盘->分布式硬盘, 造价逐渐低, 速度逐渐减慢, 容量逐渐增大; 反之则造价逐渐昂贵, 速度逐渐提高, 容量则逐渐减少.
看了这组数据，不禁想知道内存，cpu，硬盘的制造材料都是什么？是什么造就了这么大的速度差别？

 

1.内存

内存颗料的原材料是:硅, 硅提炼制成成晶圆再而进行切割.

2.硬盘（港台称之为硬碟，英文名：Hard Disc Drive 简称HDD 全名 温彻斯特式硬盘）

是电脑主要的存储媒介之一，由一个或者多个铝制或者玻璃制的碟片组成。这些碟片外覆盖有铁磁性材料。绝大多数硬盘都是固定硬盘，被永久性地密封固定在硬盘驱动器中。

早期硬盘的盘片都是使用塑料材料作为盘片基质，然后再在塑料基质上涂上磁性材料就可构成硬盘的盘片。采用铝材料作为硬盘盘片基质随后推出，目前市场上的IDE硬盘几乎都是使用铝硬盘盘片基质。而采用玻璃材料作为盘片基质则是最新的硬盘盘片技术，玻璃材料能使硬盘具有平滑性及更高的坚固性，此外玻璃材料在硬盘高转速时具有更高的稳定性。IBM公司是采用玻璃材料作为硬盘盘片基质的先锋，富士通笔记本硬盘也有相应的玻璃材料产品.

 

3.CPU

多数人都知道，现代的CPU是使用硅材料制成的。硅是一种非金属元素，从化学的角度来看，由于它处于元素周期表中金属元素区与非金属元素区的交界处，所以具有半导体的性质，适合于制造各种微小的晶体管，是目前最适宜于制造现代大规模集成电路的材料之一。从某种意义上说，沙滩上的沙子的主要成分也是硅（二氧化硅），而生产CPU所使用的硅材料，实际上就是从沙子里面提取出来的。当然，CPU的制造过程中还要使用到一些其它的材料，这也就是为什么我们不会看到Intel或者AMD只是把成吨的沙子拉往他们的制造厂。同时，制造CPU对硅材料的纯度要求极高，虽然来源于廉价的沙子，但是由于材料提纯工艺的复杂，我们还是无法将一百克高纯硅和一吨沙子的价格相提并论。

制造CPU的另一种基本材料是金属。金属被用于制造CPU内部连接各个元件的电路。铝是常用的金属材料之一，因为它廉价，而且性能不差。而现今主流的CPU大都使用了铜来代替铝，因为铝的电迁移性太大，已经无法满足当前飞速发展的CPU制造工艺的需要。所谓电迁移，是指金属的个别原子在特定条件下（例如高电压）从原有的地方迁出。

很显然，如果不断有原子从连接元件的金属微电路上迁出，电路很快就会变得千疮百孔，直到断路。这也就是为什么超频者尝试对Northwood Pentium 4的电压进行大幅度提升时，这块悲命的CPU经常在“突发性Northwood死亡综合症（Sudden Northwood Death Syndrome，SNDS）”中休克甚至牺牲的原因。SNDS使得Intel第一次将铜互连（Copper Interconnect）技术应用到CPU的生产工艺中。铜互连技术能够明显的减少电迁移现象，同时还能比铝工艺制造的电路更小，这也是在纳米级制造工艺中不可忽视的一个问题。

不仅仅如此，铜比铝的电阻还要小得多。种种优势让铜互连工艺迅速取代了铝的位置，成为CPU制造的主流之选。除了硅和一定的金属材料之外，还有很多复杂的化学材料也参加了CPU的制造工作。

 

4.晶体管
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，因此晶体管可做为电流的开关，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。

5.电子管

是一种最早期的电信号放大器件。被封闭在玻璃容器（一般为玻璃管）中的阴极电子发射部分、控制栅极、加速栅极、阳极（屏极）引线被焊在管坐上。利用电场对真空中的控制栅极注入电子调制信号，并在阳极获得对信号放大或反馈振荡后的不同参数信号数据。早期应用于电视机、收音机扩音机等电子产品中，近年来逐渐被半导体材料制作的放大器和集成电路取代，但目前在一些高保真的音响器材中，仍然使用低噪声、稳定系数高的电子管作为音频功率放大器件（香港人称使用电子管功率放大器为“煲胆”）。

二极管、三极管是按功能来分类，
而电子管、晶体管则按材料跟结构来分类。

有电子二极管、电子三极管，也有晶体二极管，晶体三极管。

电子管指的是真空电子管，比较古老的一种器件。
电子二极管的基本工作原理：由灯丝加热阴极，阴极上涂有活性材料，被加热时就会
发射出大量电子（这样通过加热来发射的电子的，叫做热激发。阴极射线管（CRT）
有有类似的结构，发射的电子通过电场加速后轰击荧光屏，就可以发光了

 

6.计算机发展史
电子管->晶体管->集成电路->大规模集成电路.

一、第一代(1946~1958)：电子管数字计算机
计算机的逻辑元件采用电子管，主存储器采用汞延迟线、磁鼓、磁芯；外存储器采用磁带；软主要采用机器语言、汇编语言；应用以科学计算为主。其特点是体积大、耗电大、可靠性差、价格昂贵、维修复杂，但它奠定了以后计算机技术的基础。

二、第二代(1958~1964)：晶体管数字计算机
晶体管的发明推动了计算机的发展，逻辑元件采用了晶体管以后，计算机的体积大大缩小，耗电减少，可靠性提高，性能比第一代计算机有很大的提高。

主存储器采用磁芯，外存储器已开始使用更先进的磁盘；软件有了很大发展，出现了各种各样的高级语言及其编译程序，还出现了以批处理为主的操作系统，应用以科学计算和各种事务处理为主，并开始用于工业控制。

三、第三代(1964~1971)：集成电路数字计算机
20世纪60年代，计算机的逻辑元件采用小、中规模集成电路(SSI、MSI)，计算机的体积更小型化、耗电量更少、可靠性更高，性能比第十代计算机又有了很大的提高，这时，小型机也蓬勃发展起来，应用领域日益扩大。
主存储器仍采用磁芯，软件逐渐完善，分时操作系统、会话式语言等多种高级语言都有新的发展。

四、第四代(1971年以后)：大规模集成电路数字计算机
计算机的逻辑元件和主存储器都采用了大规模集成电路(LSI)。所谓大规模集成电路是指在单片硅片上集成1000~2000个以上晶体管的集成电路，其集成度比中、小规模的集成电路提高了1~2个以上数量级。这时计算机发展到了微型化、耗电极少、可靠性很高的阶段。大规模集成电路使军事工业、空间技术、原子能技术得到发展，这些领域的蓬勃发展对计算机提出了更高的要求，有力地促进了计算机工业的空前大发展。随着大规模集成电路技术的迅速发展，计算机除了向巨型机方向发展外，还朝着超小型机和微型机方向飞越前进。1971年末，世界上第一台微处理器和微型计算机在美国旧金山南部的硅谷应运而生，它开创了微型计算机的新时代。此后各种各样的微处理器和微型计算机如雨后春笋般地研制出来，潮水般地涌向市场，成为当时首屈一指的畅销品。这种势头直至今天仍然方兴未艾。特别是IBM-PC系列机诞生以后，几乎一统世界微型机市场，各种各样的兼容机也相继问世。

内存
http://baike.baidu.com/view/1082.htm

硬盘
http://baike.baidu.com/view/4480.htm?fr=ala0_1_1
cpu
http://baike.baidu.com/view/2089.htm
电子管
http://baike.baidu.com/view/50088.htm
请问电子管和二极管,晶体管和三极管是什么关系?
http://www.dzsc.com/dzbbs/20060520/20076518538406972.html
计算机发展史
http://baike.baidu.com/view/22636.htm
集成电路
http://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%9B%86%E6%88%90%E7%94%B5%E8%B7%AF
http://baike.baidu.com/view/1355.htm