FPGA技术发展历史：数字技术的里程碑

在计算机世界中，归根到最底层的计算，只有两种状态，既数字电路的开和关，对应于二进制数字“1”或“0”。任何最强大的计算机、最繁杂的计算也最终都是用通过1和0 来实现的。这实际上暗合了中国古典哲学的“阴阳”，“1”和“0”生万物哲学。现在我们就一起来回顾一下数字逻辑电路的发展历程、实现基本理论和典型成果。

数字技术（Digital Technology）是一项与电子计算机相伴相生的科学技术，通过特殊设备，将各种信息（包括图、文、声、像等）转换为电子计算机能识别的二进制数字“0”和“1”，然后进行运算、加工、存储、传送、传播和还原的技术。

用数字信号完成对数字量进行算术运算和逻辑运算的电路称为数字电路，或数字系统。由于它具有逻辑运算和逻辑处理功能，所以又称数字逻辑电路。数字技术的发展历程与模拟电路一样，经历了由电子管、半导体分立器件到集成电路的几个时代，但其发展比模拟电路更快。从20 世纪60 年代开始，数字集成器件以双极型工艺制成了小规模逻辑器件。随后发展到中规模逻辑器件。20 世纪70 年代末，微处理器的出现，使数字集成电路的性能产生质的飞跃。

1. 真空管

1904 年，英国人佛来明（J.A. Fleming）博士发明了真空二极管；1907 年，德国人德福雷斯特（Lee Do Forest）将二极管加以改良，发明了真空三极管。在数字电路的发展初期，第一代电子电路都是由抽成真空的巨大的玻璃管组成的，所以叫真空管。真空管是利用灯丝或电路板的两极来发射电子束来控制电流。然而，并非所有的管都被抽空，一些使用气体的和较小的管使用光敏材料和磁场来控制电子的流动。它们都有共同点：价格昂贵，消耗大量电力并散发出巨大热量。它们也非常不可靠，使用中需要大量的维护。而且它们的尺寸很大，难于制造更小型的“计算机”。

2. 晶体管

1947 年12 月23 日，美国贝尔实验室正式成功地演示了第一个基于锗半导体的具有放大功能的点接触式晶体管，标志着现代半导体产业的诞生和信息时代的开启。晶体管可以说是20 世纪最重要的发明。

严格地说，晶体管泛指一切的单个半导体元件，经常用来指代半导体材料制成的三极管、场效应管，等等。它的英文名字是transistor，来自trans-resistance（即transfer resistance），也就是所谓的“跨阻”，指的是输出端电压变化与输入端电流变化的比值（单位是欧姆），反映了输入对输出的影响能力。

3. 集成电路

集成电路（integrated circuit，见图1.1）是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构；其中所有元件在结构上已组成一个整体，使电子元件向着微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面迈进了一大步。1959 年，德州仪器（Texas Instruments）的杰克基尔比（Jack Kilby）是世界上最早向世界展示将很多这些晶体管放在单个晶圆（硅片）上的人之一，他为第一个IC 或集成电路申请了专利。

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图1.1　集成电路结构

4. 摩尔定律

20 世纪50 年代，飞兆半导体和英特尔的联合创始人戈登·摩尔（Gordon Moore）发表了一篇论文，指出每个集成电路的元件数量将在未来十年每年增加一倍。1975 年，他回顾了他的预测，并表示组件的数量现在每两年增加一倍。这就是著名的摩尔定律。

几十年来摩尔定律一直被验证是正确的。而且摩尔定律一直在指导芯片制造和设计。英特尔和AMD 的研究人员一直以来都是根据摩尔定律设定目标和指标。由于摩尔定律迫使芯片设计的长足发展，计算机也变得越来越小。摩尔定律不仅仅是一种预测，它已成为制造商旨在实现的目标和标准。

1971 年第一个半导体采用的是10 μm 工艺。到2001 年，它是130 nm，是1971 年的近1/80。截至2017 年，最小的晶体管工艺为10 nm，相比较人头发直径是100 μm，比晶体管大近10 000 倍。

摩尔定律危机：随着大规模电路的发展，晶体管越来越小，集成数量成几何级增加，其制造工艺却越来越难了。克服这些技术和工艺壁垒不仅需要大量的时间和人力，还需要大量的资金和投资。因此，摩尔定律中的时间也逐渐放缓，甚至它可能会很快不成立，摩尔定律危机爆发（当然如果没有巨大变革这是必然的）。英特尔花了大约两年半的时间才从2012 年的22 nm 工艺发展到2014 年的14 nm 工艺，之后10 nm 的研究和开发一直就问题不断，多次延迟，不过好消息是AMD 7 nm 的显卡和CPU 已经上市。因为摩尔定律不是真正的定律，只是一种预测或推测。尽管芯片制造商一直致力于实现并保持目标，但这样做变得越来越困难。

5. 量子计算

随着电子元件越来越小（纳米级），量子特性和效应逐渐显现。随着晶体管尺寸不断缩小，其PN 结耗尽层的尺寸也越来减小。耗尽层非常重要，其用于阻止电子的流动。研究人员通过计算得出，由于电子在其耗尽区中的隧道效应，小于5 nm 的晶体管将无法阻止电子流动。由于隧穿，电子将不会感知耗尽区域，直接“跨穿”。如果不能阻止电子流动，晶体管就会失效。此外，我们现在正在慢慢接近原子本身的大小，理论上我们不能建立一个比原子小的晶体管。硅原子的直径约为1 nm，现在我们制造的晶体管的栅极尺寸约为该尺寸的10 倍。就算是不考虑量子效应的，我们也将达到晶体管的物理极限，无法做到更小。

未来最可能的解决方案是发展量子计算（Quantum Computers）。像D-Wave 和Rigetti Computing 这样的公司正在这个领域广泛开展工作，量子计算已经显示出巨大的前景，它的优势是一次可以拥有多个状态（与其他计算机“0”“1”不同）。目前，有些实验性质的量子计算已经取得很好的成果，比如基于量子技术的真正的随机数算法已经成功。