数字技术的发展历程
数字技术的发展历程
一、前言
显而易见，人类已经进入了数字化时代。现代电子信息系统已经处处离不开处理离散信息的数字电路了。数字电路具有的高稳定性、高可靠性、可编程性、易于设计、经济性等众多优点，致使其应用越来越广泛。例如数字计算机、先进的通信系统、工业控制系统、交通控制系统及洗衣机、电视机等，无一不使用电子技术。数字技术发展的迅速，应用的广泛，令人叹为观止。
二、数字技术与电子技术
数字技术（Digital Technology），是一项与电子计算机相伴相生的科学技术，它是指借助一定的设备将各种信息，包括：图、文、声、像等，转化为电子计算机能识别的二进制数字“0”和“1”后进行运算、加工、存储、传送、传播、还原的技术。由于在运算、存储等环节中要借助计算机对信息进行编码、压缩、解码等，因此也称为数码技术、计算机数字技术等。而数字技术的主要应用在于电子技术。
电子技术是根据电子学的原理，运用电子元器件设计和制造某种特定功能的电路以解决实际问题的科学,是十九世纪初到二十世纪初开始发展起来的新兴技术，二十世纪发展最迅速，应用最广泛，成为近代科学技术发展的一个重要标志。电子技术的出现和应用,使人类进入了高新技术时代,电子技术诞生的历史虽短,但深入的领域却是最广最深,而且成为人类探索宇宙宏光世界和微观世界的物质技术和基础。
   
三、数字技术的发展历史
1.理论级—模拟与数字
为了科学计算的需要，许许多多单一用途的并不断深化复杂的模拟计算机被研制出来。1623年由Wilhelm Schickard率先研制出了欧洲第一台计算设备，这是一个能进行六位以内数加减法，并能通过铃声输出答案的“计算钟”，使用转动齿轮来进行操作。1642年法国数学家Pascal 在WILLIAM Oughtred计算尺的基础上，将计算尺加以改进，能进行八位计算。1801年，Joseph Marie Jacquard对织布机的设计进行了改进，其中他使用了一系列打孔的纸卡片来作为编织复杂图案的程序。
Charles Babbage是构想和设计一台完全可编程计算机的第一人，但由于技术条件，经费限制，以及无法忍耐对设计不停的修补，这台计算机在他有生之年始终未能问世。
约到19世纪晚期，许多后来被证明对计算机科学有着重大意义的技术相继出现，包括打孔卡片以及真空管。Hermann Hollerith设计了一台制表用的机器，就实现了应用打孔卡片的大规模自动数据处理。
但这些计算机，都是基于机械运行方式，尽管有个别产品开始引进一些电学内容，却都是从属于机械的，还没有进入计算机的灵活：逻辑运算领域。当人类开始打算用电来表达信息，储存数据等的时候，数字时代便降临了。
1854年，英国数学家乔治布尔在他的杰出论文《思维规律的研究》一文中提出数字式电子系统中的信息用二元数——比特。比特可以被认为是“0”或者“1”两个常量中的一个，这种只有两个数字元素的运算系统被称为二元系统，这个理论以用二元数“1”表示真，“0”表示伪的概念为基础。
计算机的诞生
1937年英国剑桥大学的图灵（Alan M. Turing）出版了他的论文，并提出了被后人称之为'图灵机'的数学模型。
同年由香农（Claude Shannon）发表了他的伟大论文《对继电器和开关电路中的符号分析》，文中首次提及数字电子技术的应用。他向人们展示了如何使用开关来实现逻辑和数学运算。这标志着二进制电子电路设计和逻辑门应用的开始。此后，他通过研究范内瓦·布什（Vannevar Bush）的微分模拟器进一步巩固了他的想法。
Almon Strowger，申请了逻辑门电路的设备专利；Nikola Tesla早在1898年就曾申请含有逻辑门的电路设备；Lee De Forest，于1907年他用真空管代替了继电器。
同时半导体学的发展也让数字技术的发展大步迈进。1883年美国发明家爱迪生发现了热电子效应,随后在1904年弗莱明利用这个效应制成了电子二极管,并证实了电子管具有“阀门”作用,它首先被用于无线电检波。1906年美国的德福雷斯在弗莱明的二极管中放进了第三电极——栅极而发明了电子三极管,从而建树了早期电子技术上最重要的里程碑1948 年美国贝尔实验室的几位研究人员发明晶体管。1958 年集成电路的第一个样品见诸于世。。
2.器件级—门电路
20世纪初首先得到推广应用的电子器件是真空电子管。它是在抽成真空的玻璃或金属外壳内
安置特制的阳极、阴极、栅极和加热用的灯丝而构成的。电子管的发明引发了通信技术的革命，产生了无线电通信和早期的无线电广播和电视。这就是电子技术的“电子管时代”。
由于电子管在工作时必须用灯丝将阴极加热到数千度的高温以后，阴极才能发射出电子流，所以这种电子器件不仅体积大、笨重，而且耗电量大，寿命短，可靠性差。因此，各国的科学家开始致力于寻性能更为优越的电子器件。1947年美国贝尔实验室的科学家巴丁(Bardeen)、布莱顿(Brattain)和肖克利(Schockley)发明了晶体管(即半导体三极管)。由于它是一种固体器件，而且不需要用灯丝加热，所以不仅体积小、重量轻、耗电省，而且寿命长，可靠性也大为提高。从20世纪50年代初开始，晶体管在几乎所有的应用领域中逐渐取代了电子管，导致了电子设备的大规模更新换代。同时，也为电子技术更广泛的应用提供了有利条件，用晶体管制造的计算机开始在各种民用领域得到了推广应用。1960年又诞生了新型的金属-氧化物——半导体场效应三极管(MOSFET)，为后来大规模集成电路的研制奠定了基础。我们把这一时期叫做电子技术的“晶体管时代”。
而其中逻辑门电路是数字电路中最基本的逻辑元件。所谓门就是一种开关，它能按照一定的条件去控制信号的通过或不通过。门电路的输入和输出之间存在一定的逻辑关系(因果关系)，
所以门电路又称为逻辑门电路。基本逻辑关系为“与”、“或”、“非”三种。逻辑门电路按其内部有源器件的不同可以分为三大类。第一类为双极型晶体管逻辑门电路，包括TTL、ECL电路和I2L电路等几种类型；第二类为单极型MOS逻辑门电路，包括NMOS、PMOS、LDMOS、VDMOS、VVMOS、IGT等几种类型；第三类则是二者的组合BICMOS门电路。常用的是CMOS逻辑门电路。
TTL逻辑门电路问世较早，其工艺经过不断改进，至今仍为主要的基本逻辑器件之一。随着CMOS工艺的发展,TTL的主导地位受到了动摇，有被CMOS器件所取代的趋势。近年来可编程逻辑器件PLD特别是现场可编程门阵列FPGA的飞速进步，使数字电子技术开创了新局面，不仅规模大，而且将硬件与软件相结合，使器件的功能更加完善，使用更灵活。
3.电路级—集成电路
为了满足许多应用领域对电子电路微型化的需要，美国德克萨斯仪器公司(Texas Instruments)的科学家吉尔伯(Kilby)于1959年研制成功了半导体集成电路(integrated circuit, IC)。由于这种集成电路将为数众多的晶体管、电阻和连线组成的电子电路制作在同一块硅半导体芯片上，所以不仅减小了电子电路的体积，实现了电子电路的微型化，而且还使电路的
可靠性大为提高。从20世纪60年代开始，集成电路大规模投放市场，并再一次引发了电子设备的全面更新换代，开创了电子技术的“集成电路时代”。
随着集成电路制造技术的不断进步，集成电路的集成度(每个芯片包含的三极管数目或者门电路的数目)不断提高。在不足10年的时间里，集成电路制造技术便走完了从小规模集成(small scale integration, SSI，每个芯片包含10个以内逻辑门电路)到中规模集成(medium scale integration, MSI，每个芯片包含10 至1000个逻辑门电路)，再到大规模集成(large scale integration, LSI，每个芯片包含1000 至 10 000个逻辑门电路)和超大规模集成(very large scale integration, VLSI，每个芯片含10 000个以上逻辑门电路)的发展过程。自20世纪70年代以来，集成电路基本上遵循着摩尔定律(Moore's Law)在发展进步，即每一年半左右集成电路的综合性能提高一倍，每三年左右集成电路的集成度提高一倍。 目前集成电路制造工艺可以加工的最小尺寸已经缩小到了65nm，能将1亿以上的晶体管制作在一片硅片上。现在已经可以把一个复杂的电子系统(例如数字计算机)制作在一个硅片上，形成所谓“片上系统”。高集成度、高性能、低价格的大规模集成电路批量生产并投放市场，极大地拓展了电子技术的应用空间。它不仅促成了信息产业的大发展，而且成为改造所有传统产业的强有力的手段。集成电路的普遍应用对工业生产和国民经济的影响，不亚于当年蒸汽机、电动机的普遍应用对
工业生产和国民经济的深远影响。因此，也有人把20世纪中期以来的这一段历史时期叫做“硅片时代”。
二十世纪八十年代，开始出现特大规模集成电路，1兆位ULSI的集成度达到2万个元件，器件条宽仅为1微米；1992年16兆位的芯片集成度达到3200万个元件，条宽减到0.5微米，而后的64兆位芯片，其条宽仅为0.3微米。近年来,可编程逻辑器件PLD特别是现场可编程门阵列FPGA的飞速进步，使数字电子技术开创了新局面，不仅规模大，而且将硬件与软件相结合，使器件的功能更加完善，使用更灵活。然而集成度的提高不可能是无限的。
在半导体管的尺寸缩小到一定程度以后，再想缩小尺寸不仅加工精度难以达到，生产成本大大提高，而且器件的工作机理也将发生变化而无法正常工作。基于这种推测，从20世纪70年代起，许多科学工作者就已经开始潜心研究和寻比硅片集成度更高、性能更好的新型器件了。
4.系统级—功能系统
数字电路具有广阔的发展前景。基于PC机的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等
特点， 将有越来越多的厂家采用PC机作为前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题。PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普，并向高速化和高精度化发展 。随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。
现在正在研究开发第五代计算机(人工智能计算机),他们不依靠程序工作,而是依靠人工智能工作。特别是从70年代微型计算机以来,由于价廉、方便、可靠、小巧,大大加快了电子计算机的普及速度。例如个人计算机,它从诞生至今不过经历十多年时间,但是它的发展却跨越了多个阶段,走进了千家万户。集计算机、电视、电话、传真机、音响等于一体的多媒体计算机也纷纷问世。以多媒体计算机、光纤电缆和互联网络为基础的信息高速公路已成为计算机诞生以来的又一次信息变革。
  随着信息化时代的发展，数字化的普及，将会有更多的数字产品问世，使人们的生活便捷化，丰富化，人性化。数字化进程不仅是一个技术的革命，这是对大工业劳作方式社会的一种颠覆。相信这些新产品的问世，新技术的开发，将改变着人文的生产方式，生活方式，思维方式。

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