第7講計算之芯【注釋】“計算之芯”總計1次課程2學(xué)時一、教學(xué)內(nèi)容本次課（2學(xué)時）主要講授以下內(nèi)容：電子計算機前夜電子計算機誕生大型計算機商用個人計算機時代移動智能處理器教學(xué)目標(biāo)知識層面了解電子計算機的發(fā)展歷程以及我國在處理器領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)，在國際數(shù)學(xué)家大會上提出3個邏輯上的大問題開始講起，回顧從理論的提出到通用電子計算機誕生的時代背景和發(fā)明故事，介紹電子計算機誕生過程中哥德爾、圖靈、馮·諾依曼杰出科學(xué)家為計算機誕生所作的杰出貢獻。然后大型計算機商用、個人計算機普及，微處理器的發(fā)展到移動智能處理器，尤其是我國在處理器領(lǐng)域快速發(fā)展和面臨的挑戰(zhàn)。能力層面介紹大型計算機商用和個人計算機時代，啟示學(xué)生抓住時代的機遇。IBM抓住大型計算機商業(yè)化的機遇，世紀(jì)豪賭，取得巨大商業(yè)成就，一舉躍升到美國十大公司行列。蘋果、英特爾、微軟抓住個人計算機發(fā)展的機遇，順應(yīng)時代的潮流成為了世界數(shù)一數(shù)二的企業(yè)。價值層面處理器技術(shù)始終受國外限制，啟示我們中國人要自立自強。在個人計算機領(lǐng)域，不論是圖形處理器還是計算機處理器都是國外主導(dǎo)，到智能移動處理器時代，華為麒麟處理器逐漸開始走向領(lǐng)先階段，但是受到美國舉國打壓，比如從代工制造、EDA工具、RSIC架構(gòu)等不再提供服務(wù)。為了擺脫限制，需要重視基礎(chǔ)研究，掌握核心技術(shù)，重視全產(chǎn)業(yè)鏈的安全。三、本節(jié)概要本章首先回顧了圖靈提出的理論計算模型“圖靈機”、通用電子計算機ENIAC與馮·諾依曼提出的儲存程序框架。然后介紹了電子計算機從實驗室走向商用的歷程，IBMSystem/360的成功推出標(biāo)志著大型計算機的成熟。第三，介紹了微處理器誕生到PC快速發(fā)展，形成了事實上的Wintel聯(lián)盟，帶動計算機應(yīng)用的發(fā)展，“計算思維”應(yīng)運而生。第四、隨著智能手機的誕生，移動處理器，從集成CPU、BPU，到融合GPU、AI等功能?？上驳氖侨A為麒麟芯片、巴龍基帶芯片脫穎而出，成為5G時代的引領(lǐng)者。四、教學(xué)重點與難點4.1圖靈、馮·諾依曼與大型計算機1928年，大數(shù)學(xué)家希爾伯特在國際數(shù)學(xué)家大會上，論述了三個數(shù)學(xué)邏輯上的大問題，但是這個井井有條的邏輯美夢只持續(xù)三年便被打破。圖靈發(fā)表《論可計算數(shù)學(xué)及其判定性問題上的應(yīng)用》，提出了一種十分簡單但運算能力極強的理想計算裝置，用它來計算所有能想象得到的可計算函數(shù)。圖靈的這一思想奠定了現(xiàn)代計算機的理論基礎(chǔ)，被稱為“圖靈機”。圖靈提出了計算機的邏輯模型，同一時期還有其他科學(xué)家與工程師也在探索計算機。在ENIAC的研制過程中，馮·諾依曼極大推動了計算機的發(fā)展。馮·諾依曼給出了通用電子計算機的基本架構(gòu)，由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五部分組成。這就是現(xiàn)代計算機采用的“馮·諾依曼存儲程序結(jié)構(gòu)體系”。4.2計算體系架構(gòu)與指令集2017年軒尼斯和帕特森榮獲圖靈獎，以表彰兩人開創(chuàng)了一種系統(tǒng)的、定量的方法來設(shè)計和評價計算機體系結(jié)構(gòu)。為了解決不同廠商之間由于處理器設(shè)計不同，其控制指令也有著不同的定義方式，IBM在其研制的計算機中引入指令集體系結(jié)構(gòu)的概念，計算機的通用性問題得到了解決。4.3基帶與圖形處理器基帶處理器包括模擬基帶、數(shù)字基帶，還可以包含射頻、電源管理等功能。模擬基帶模塊與射頻模塊、音頻模塊連接，具備數(shù)字與模擬轉(zhuǎn)換等功能。數(shù)字基帶模塊完成業(yè)務(wù)信息和控制信息的信道編碼、加密，調(diào)制解調(diào)等移動通信標(biāo)準(zhǔn)的物理層、鏈路層等功能。射頻模塊負責(zé)射頻收發(fā)、頻率合成、功率放大?；鶐幚砥鳑Q定了通信質(zhì)量、數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣鹊取D形處理器是一種專門在個人計算機、工作站、游戲機和智能手機上進行圖形圖像運算工作的微處理器。GPU是專為執(zhí)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)和幾何計算而設(shè)計的，這些計算是圖形渲染所必需的。4.4英特爾與微處理器在計算機發(fā)展的初期，整個計算機產(chǎn)業(yè)就已發(fā)展到了相當(dāng)?shù)囊?guī)模，但是計算機只有一些資金雄厚的公司和機構(gòu)才能用得起，因為大型計算機體積大、成本高、操作不便。微處理器的出現(xiàn)降低了計算機的成本。微處理器的誕生可追溯到1969年的春天。當(dāng)時全世界的計算器公司都在尋找能夠為他們生產(chǎn)芯片的半導(dǎo)體企業(yè)，得益于諾伊斯和摩爾這兩位科學(xué)家型創(chuàng)始人的名聲，一家名為Busicom的日本計算器公司找上門來，希望英特爾能為他們設(shè)計和制造計算器芯片。英特爾將這個項目交給了霍夫。Busicom要求他設(shè)計12塊功能各異的專用芯片，但霍夫并沒有按照這個思路開發(fā)，他認(rèn)為這種想法并不能有效降低芯片的成本，而且用起來還非常復(fù)雜。他只開發(fā)了四種芯片—代號為4004的簡單但擁有多種功能的4位邏輯芯片，兩個存儲器芯片（4001為ROM、4002為RAM），以及一個4003移位寄存器芯片。4004芯片集成了2250個晶體管，能夠處理4位數(shù)據(jù)，每秒運算6萬次，頻率108kHz。1972年3月，也即英特爾發(fā)布4004型后不到4個月，TI公司也推出了8位微處理器，兩家公司產(chǎn)生了爭執(zhí)，最后英特爾獲得了專利。但霍夫說：“我并不認(rèn)為一旦為微處理器申請了專利后，就可以聲稱擁有了微處理器的一切?！贝_實，取得專利權(quán)與受用戶歡迎的產(chǎn)品之間有很長的距離。霍夫等人繼續(xù)加以改進，1973年8月，推出了8位微處理器Intel8080。它首次采用MOS工藝，集成了4800個晶體管，主頻為2MHz，運算速度比4004快20倍，可訪問64KB存儲器，成為有史以來最成功的微處理器之一，也是第一個真正的通用微處理器。最初售價360美元，批發(fā)價為275美元，這也是真正推動微型計算機市場的產(chǎn)品，它被應(yīng)用于世界第一臺微型計算機“牽牛星”。牽牛星開啟了個人計算機時代。Altair是照亮蘋果、點燃微軟、指引英特爾的PC始祖。受Altair啟示，沃茲尼亞克與喬布斯開始研制個人計算機。1976年3月，他們兩人成功開發(fā)出微型計算機Apple-1。1976年沃茲尼亞克與喬布斯以6502微處理器為核心，研制成功Apple-Ⅱ，成為當(dāng)年最暢銷的計算機產(chǎn)品。計算機仿真的出現(xiàn)改變了科學(xué)研究的手段。電子設(shè)計與自動化技術(shù)EDA可以在器件級、電路級與系統(tǒng)級層面對電子器件進行仿真；計算機輔助設(shè)計CAD可以模擬汽車防撞、風(fēng)扇有無葉片等可以節(jié)約成本、安全度系數(shù)高。也可以通過計算機進行虛擬組裝和飛機模擬訓(xùn)練，不僅可以節(jié)省成本而且安全系數(shù)高，也可以進行系統(tǒng)級模擬仿真與調(diào)試。可以說計算機的發(fā)展，虛擬鏡像再現(xiàn)物理世界，就像岸上的景物在水中的倒影，實現(xiàn)了電子系統(tǒng)的數(shù)字化，促進了數(shù)字通信和軟件無線電的發(fā)展?！坝嬎闼季S”應(yīng)運而生，獲得廣泛重視。五、教學(xué)思路與進程5.1課程教學(xué)設(shè)計思路本科一年級學(xué)生對于電子信息工程專業(yè)的認(rèn)知不足，也缺乏相應(yīng)的知識基礎(chǔ)。而且由于剛經(jīng)歷高中大量的考試，難免會帶有應(yīng)試的思維。然而，這正是為專業(yè)發(fā)展打基礎(chǔ)、強根本的雛形時期，應(yīng)最大程度上激發(fā)學(xué)生的好奇心、學(xué)習(xí)興趣和科研潛力。因此，在教學(xué)過程中不能簡單的說教，而是通過以歷史的脈絡(luò)串聯(lián)起故事，并在講述故事的過程中將道理蘊含其中，注重培養(yǎng)思維，進而達到趣味性與專業(yè)性和系統(tǒng)性的相統(tǒng)一。特別地，課程教學(xué)思路的設(shè)計如下：介紹電子計算機的誕生流程。給出電子計算機的理論基礎(chǔ)和發(fā)展歷程，通過電子計算機的發(fā)明故事，幫助學(xué)生了解電子計算機的歷史信息。在課后思考題中，針對電子計算機發(fā)明的過程，引導(dǎo)學(xué)生思考圖靈與馮·諾依曼兩位科學(xué)家對計算機的貢獻，讓學(xué)生們明白理論基礎(chǔ)對于科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要性。從個人計算機的誕生背景、牽牛星開啟了個人計算機時代講起、蘋果計算機的誕生，使學(xué)生了解個人計算機的發(fā)明和發(fā)展過程。本節(jié)重點放在個人計算機的發(fā)展中第一臺微機“牽牛星”的發(fā)明都所有其他個人計算機的引領(lǐng)作用。在課后思考題中，簡述第一臺微機“牽牛星”的發(fā)明歷程，為什么說“牽牛星”是照亮蘋果、點燃微軟、指引英特爾的PC始祖？讓同學(xué)們了解“牽牛星”在計算機發(fā)展史上的歷史地位，領(lǐng)悟諾伊斯、喬布斯、比爾·蓋茨“遠見的力量”。計算機的普及，計算思維的重要性，“計算+”從科學(xué)計算、工程設(shè)計等，計算與實驗、數(shù)學(xué)并列為科學(xué)研究重要手段，也是工程設(shè)計甚至系統(tǒng)安裝調(diào)試、協(xié)同生產(chǎn)的重要工具。通過對處理器的發(fā)展歷程及處理器相關(guān)企業(yè)的歷史故事進行初步的介紹。讓學(xué)生進一步了解處理器的發(fā)展，介紹處理器發(fā)展歷史上優(yōu)秀的企業(yè)，英特爾、英偉達、ARM在歷史上的重要地位。介紹ARM的發(fā)展之路、ARMRISC體系的授權(quán)方式和盈利模式，ARM成功的啟示（與“農(nóng)村包圍城市”“統(tǒng)一戰(zhàn)線”類似），彰顯硬件開源、人才培養(yǎng)、工程師成長環(huán)境建設(shè)的重要性。在課后思考題中，簡述ARM的發(fā)展歷程？它是如何成為智能處理器的體系架構(gòu)的？RISC-