計算機組織

1. 第二章
製程進化
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2. 簡報綱要
2.1 引言
2.2 電晶體技術
2.3 積體電路技術
2.4 摩爾定律 2.6 微縮技術
2.5 摩爾定律的推論 2.7 結語
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3. 核心重點
電晶體開啟計算機的進化
•
歷史，加速改變整個世界
的發展軌跡。
固態製程展現令人驚訝的微縮技術，創造更多的效能表現。
•
摩爾定律成功地預測積體電路的蓬勃發展景象。
•
3

4. 真空管元件
儘管ENIAC是當年運算速度最快的計算機，但癥結在於真
空管，實在很難相信有這麼難伺候的電子元件！
連硬體工程師都無法忍受這個體積龐大、容易發熱、壽命
很短的玻璃元件，讓人傷透腦筋，18000個真空管，幾乎
每隔兩天就有一個真空管故障，妥善率差到難以連續運
轉，這讓操作ENIAC時，充滿著不可預期的變數，甚至需
要一組專職的維修人員，隨時更換燒壞的真空管呢！
4

5. 真空管有嚴重的瓶頸限制，
需要不斷定時的debug…
5

6. 一定會有些方法或技術，
讓未來的電子計算機只用1000個真空管，
重量也只有半噸而已。
~Popular Mechanics
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7. 2.2
7

8. 問題的來源都指向真空管，正當悲觀逐漸澆熄熱忱時，
1947年12月，貝爾實驗室的
Shockly（蕭克利）
Bardeen（巴丁）
Brattain（布拉藤）
等三人發明了電晶體（transistor），隨後更獲得1956
年的諾貝爾獎。
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9. 電晶體技術
電晶體使用矽半導體材料，
這是一種導電性介於金屬與
絕緣體之間的固態材料。
這是一個NPN雙極性電晶體，E極和C極是由N型矽半導體所製
這是一個NPN雙極性電晶體，E極和C極是由N型矽半導體所製
成，而B極則由P型矽半導體所製成。
成，而B極則由P型矽半導體所製成。
※圖 2-1 BJT（雙極性）電晶體的構造
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10. 電晶體運作方式
BJT電晶體是用來控制電氣
訊號的微小開關…
當正向的小電流（IB）流入控制接腳B時，C、E之間就可以
當正向的小電流（I ）流入控制接腳B時，C、E之間就可以
流過較大的電流（短路）；反之IB=0，C、E之間如同斷路。
流過較大的電流（短路）；反之I =0，C、E之間如同斷路。
※圖 2-2 BJT電晶體的運作方式 10

11. 蕭克利隨後在矽谷成立了「蕭克利半導體實驗室」。
這個半導體工廠打著諾貝爾獎的光環，吸引一群最優秀
的工程師加入，藉由印刷電路板（Printed Circuit
Board，PCB）集合數以千計的電晶體，完成許多可觀的
應用，很快地，電晶體取代真空管，並且在業界造成相
當大的流行風潮。
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12. Not邏輯閘
我們可以輕易地使用電晶體
我們可以輕易地使用電晶體
電路，來建構邏輯閘。
當輸入為0V，電晶體CE接腳呈現斷路，輸出為5V；反之，
當輸入為0V，電晶體CE接腳呈現斷路，輸出為5V；反之，
當輸入為5V，電晶體CE接腳呈現短路，輸出為0V。
當輸入為5V，電晶體CE接腳呈現短路，輸出為0V。
※圖 2-3 NOT邏輯閘的組成電路 12

13. 布林函數
布林函數正是建構數位的基
本元件，通常稱為邏輯閘。
最常見的數位元件有AND、OR、NOT、NAND、NOR邏輯閘。
最常見的數位元件有AND、OR、NOT、NAND、NOR邏輯閘。
交互串連邏輯閘線路，可以形成有用的數位電路，而這些
數位電路正是構成電腦最重要的觀念。
※圖 2-4 NAND、NOR、NOT邏輯閘符號 13

14. 2.3
14

15. 1957年，諾義斯（Bob Noyce）離開「蕭克利半導體實
驗室」，並且在工業家費爾察的資助下，另立門戶成
立了知名的「快捷半導體公司」（Fairchild) 。
快捷公司可以說是半導體人才最重要的搖籃，在1960
年代∼1970年代，美國矽谷的半導體公司竟然有一半
衍生自快捷公司，包括：Intel英代爾、AMD超微半導
體、和National國家半導體公司，有人甚至於將其戲
稱為「快捷大學」。
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16. 1958年，諾義斯引入場效電晶體(FET)取代
雙極性電晶體（BJT），並且利用平面技術
和擴散介面，把數十個電晶體積入單一晶片
內部，為快捷半導體公司打響了第一炮。
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17. FET動作原理
只要控制閘極的電壓，就可
以進行開關的交換動作。
控制G極的電壓，產生電場，累積在閘極介電層下方的通
控制G極的電壓，產生電場，累積在閘極介電層下方的通
道，當通道下的電荷(電子或電洞)累積到某種程度，便形成
道，當通道下的電荷(電子或電洞)累積到某種程度，便形成
一電子開關。
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18. 積體電路技術
FET技術使得電晶體元件越
FET技術使得電晶體元件越
做越小，在單一矽晶片上可
以容納元件數目越來越多。
堆積元件的固態技術稱為積體電路（Integrated Circuit，
堆積元件的固態技術稱為積體電路（Integrated Circuit，
簡寫IC）
簡寫IC）
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19. 圖2-7 積體電路的製造程序 19

20. 積體電路技術加大了數量單位
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21. 一般科學的數量單位 數位科學的數量單位
數量單位 數位單位
中文（英文） 大小 大小 中文（英文）
千（Kilo） 千（Kilo）
103 210
K K
百萬（Mega） 百萬（Mega）
106 220
M M
十億（Giga） 十億（Giga）
109 230
G G
兆（Tera） 兆（Tera）
1012 240
T T
表2-1 數位科學的數量單位 21

22. 一般科學和數位科學的數量單位若混用在電腦設備
上，很可能產生模糊的空間。以一台10GB數位容量的
硬碟為例，試問改以一般科學重新計算該硬碟的容量
為多少呢？
解答>
10GB=10×230B=10×1,073,741,824B= 10,737,418,240B
數位科學表示的10GB 約相當於 一般科學的10.7GB
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23. 2.4
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24. 摩爾定律
摩爾定律預測未來晶片密度
成長的趨勢
1965年，可以放進單一晶片內的電晶體數目，每年成長一倍。
1965年，可以放進單一晶片內的電晶體數目，每年成長一倍。
1975年之後，晶片密度的成長步伐減緩，因而修正為18個月成
1975年之後，晶片密度的成長步伐減緩，因而修正為18個月成
長一倍（即，1.5年2倍數、3年4倍數）。
長一倍（即，1.5年2倍數、3年4倍數）。
照片出處 http://www.intel.com/pressroom/kits/bios/moore.htm
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25. 摩爾定律預測晶片密度成長的趨勢，試問一年成長多
少呢？
解答>摩爾定律預測：每隔3年電晶體數目4倍數，假
x3=4
設每一年x倍數成長，因此
logx3 = log4
兩邊同時取對數
計算過程 3log x = log 4
log x = (log4)/3
log 4
= 10
log x 3
10
x=1.59
因此1年1.59倍數（約成長59%）
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26. 在記憶體的發展過程中，追求容量是其重要的目標，
假設DRAM總是引進最新的製程技術，如果1980年開始
生產64KB的DRAM晶片，試問依照摩爾定律來看16MB的
DRAM，應該出現在哪一年？
解答1> 先計算晶片電晶體數的成長率：
16MB 16 × 1024KB
= = 256
64KB 64KB
摩爾定律預測：每隔1年電晶體數目1.59倍成長，假
1.59x =256
設相隔x年，因此
log 1.59x =log 256
兩邊同時取對數
x =12
因此預估 1980+12=1992 年會出現16MB晶片 26

27. 續上題，另一種解法！
解答2> 先計算晶片電晶體數的成長率：
16MB 16 × 1024KB
= = 256
64KB 64KB
電晶體數的成長率為256，最簡單的推論：
1.5 年 2倍
3 年 4倍
6 年 16倍
9 年 64倍
12 年 256倍
相隔12年，1980+12=1992年 應該會出現16MB晶片。 27

28. 2.5
28

29. 摩爾定律的推論
元件密度即使快速成長，
•
晶片的價格依然不變。
晶片密度愈高，速度越
•
快。
體積縮小，可以擺放於不同的環境。
•
晶片穩定性提高。
•
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30. 2.6
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31. 微縮技術影響的微小數量單位
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32. 巨大數量單位 微小數量單位
數量單位 數量單位
中文（英文） 大小 大小 中文（英文）
千（Kilo） 毫（mini）
103 10-3
K m
μ
百萬（Mega） 微（micro）
106 10-6
M
十億（Giga） 奈（nano）
109 10-9
G n
兆（Tera） 皮（pico）
1012 10-12
T p
表2-2 一般科學的數量單位
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33. 微縮技術
只要縮小閘極寬度，就相對
縮小整個電晶體的尺寸。
除了微縮體積外，最令人興奮的是縮短的通道，也讓電晶
體的速度跟著提昇，換言之，微縮工程可以有效提昇計算
機效能。
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34. 基本單位時間
關鍵技術
中文 英文 簡寫 大小
齒輪、繼電器 秒 second s或sec 1s
真空管、磁鼓 毫秒 10-3s
minisecond ms
電晶體、磁蕊 微秒 μs 10-6s
microsecond
奈秒
積體電路(IC) 10-9s
nanosecond ns
表 2 - 3 積體電路具備快速計算的本質
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35. 奈米尺寸 微影的限制
•
短通道效應
•
微縮通道會帶來嚴重的影 窄通道效應
•
響，增加通道內部相對的
物理干擾。
目前，國際主流大廠的閘極寬度已經從10微米、1微米、次
目前，國際主流大廠的閘極寬度已經從10微米、1微米、次
微米，進步到奈米(nM)，主流商業產品的製程技術已經邁進
微米，進步到奈米(nM)，主流商業產品的製程技術已經邁進
130nM、90nM、65nM、45nM，繼續朝向32nM、22nM前進。
130nM、90nM、65nM、45nM，繼續朝向32nM、22nM前進。
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36. 結 語
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37. 目前看來，
摩爾定律的線性推論幾乎完全正確，
微縮技術帶領著半導體公司積極前進。
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38. 世代 約略年代 關鍵技術 典型速度(運算/秒)
0 1642-1945 齒輪
1 1946-1955 真空管 40,000
2 1956-1964 電晶體 200,000
3 1965-1980 積體電路 1,000,000
4 1980- 超大型積體電路 100,000,000
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表 2 - 4 使用製程技術來劃分計算機的世代

39. 正當許多人讚嘆摩爾的先知先覺後，並且依照其
定律，試圖推論出未來的世界時（可以預測未
來，就有機會掌握未來），摩爾卻在近年來，大
膽地預測他的摩爾定律即將失準。
摩爾認為最主要的問題在於：電晶體的奈米製程
技術即將遇到瓶頸，根據現有技術的發展速度來
看，2010年代後的電晶體閘極寬度、介電層厚度
會微縮到原子物理的極限，矽元素將面臨考驗，
如果沒有明顯的技術突破，摩爾定律有可能會在
大約2010 − 2020年代之間失效！
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40. 第二章
課程結束
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