技术

半导体里的二进制世界

By 2020年11月05日 十一月 19th, 2020 No Comments

刚刚过去的10.10SK海力士厂庆日,相信每一位SK海力士的社员都感受到了浓浓的庆祝氛围。然而,10.10不仅是SK海力士的厂庆日,在这两个数字背后还藏着关于半导体的小秘密噢!
1和0这两个数字对于SK海力士来说至关重要——在半导体领域里,1和0就是最基本的逻辑。莱布尼茨眼中,二进制与中国的易经一样完美——他曾断言:“二进制乃是具有世界普遍性的、最完美的逻辑语言”1。今天在德国图林根,著名的郭塔王宫图书馆(Schlossbibliothek zu Gotha)内仍保存一份莱氏的手稿,标题写着“1与0,一切数字的神奇渊源。”2

 

1参考来源:http://www.360doc.com/content/17/0305/00/9061014_634034441.shtml
2参考来源:https://www.sohu.com/a/281987349_668122


自20世纪中叶半导体问世以来,晶体管体积不断缩小,应用领域也从实验室转移到我们日常使用的普通设备上。而在这一过程中就隐藏着数字电路世界的二进制秘密。

二进制是什么?

所有电子产品的基础逻辑是逻辑电路(与或非门),这个又是基于二进制作为原理:最简单的就是1代表通路;0代表开路。
那我们如何用二进制来保存信息呢?首先,我们可以把任何一件事情,用有限个“是非题”来表示。

1两个数码,但它的每一位都可以用电子元件来实现,且运算规则简单,相应的运算电路也容易实现。通过“是”与“不是”,就可以实现任何一种描述。这就是二进制的精髓,简单明了,绝不会产生异议。

利用二进制的这一特性,我们创建了一套逻辑门,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,门电路的输入与输出之间存在一定的逻辑关系,所以门电路又被称为逻辑门电路。

什么是半导体?

简单来说,半导体就是介于导体和绝缘体中间的一种东西,比如二极管。

 

(注:二极管是用半导体材料(硅、硒、锗等)制成的一种电子器件 。 它具有单向导电性能, 即给二极管阳极和阴极加上正向电压时,二极管导通。 当给阳极和阴极加上反向电压时,二极管截止。 因此,二极管的导通和截止,则相当于开关的接通与断开。)3

电流可以从A端流向C端,但反过来则不行。你可以把它理解成一种防止电流逆流的东西。
利用半导体的这一特性,我们可以制作一些有趣的电路,比如【与门】。

 

3参考来源:https://baike.baidu.com/item/%E4%BA%8C%E6%9E%81%E7%AE%A1

(注:上图左侧是由二极管组成的与门电路,图中A、B为输入端,Y为输出端,根据二极管导通与截止条件,若输入全为高电平(1)时,二极管VD1、VD2都截止,则输出端为高电平(1);若输入端有低电平(0)时,则二极管正偏而导通,输出端电压被下拉为低电平(0)。下图右侧是与门电路的电路图形符号‘又称逻辑图’。)4

此时A端B端只要有一个是0V,那Y端就会和0V地方直接导通,导致Y端也变成0V。只有AB两端都是10V,Y和AB之间才没有电流流动,Y端也才是10V。
我们把这个装置称为【与门】,把有电压的地方计为1,0电压的地方计为05
日常生活中,我们经常碰到这种电路,例如下面的继电器。

继电器

 

4参考来源:http://www.dxzg.com:81/ziyuanku/dzjc/Courseware/content/SCOs/dz07-0101/index.html
5参考来源:https://blog.csdn.net/dog250/article/details/90542988

(注:是一种电控制器件,是当输入量(激励量)的变化达到规定要求时,在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。 它具有控制系统(又称输入回路)和被控制系统(又称输出回路)之间的互动关系。 通常应用于自动化的控制电路中,它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。6

如果每一个问题都需要像继电器一样大的电子元件来展示,那就没有多少人能够负担得起电脑了!事实上,世界上第一台计算机也确实非常庞大。那个时代计算机器都是使用继电器制造的,后来ENIAC采用了比继电器速度更快的电子管,与现在不同,ENIAC采用的十进制进行运算,而不是现在计算机采用二进制。所以它也被迅速淘汰了!

(注:1946年2月15日,世界上第一台通用电子数字计算机“埃尼阿克”(ENIAC)在美国研制成功。它当时由1.8万个电子管组成,是一台又大又笨重的机器,体重达30多吨,占地有两三间教室般大。它当时的运算速度为每秒5000次加法运算。7

我们要感谢集成电路的诞生,让这些空间和成本的问题得以解决!

二进制与半导体

 

6参考来源:赵爱国,黄海平,高惠瑾编.新维修电工实用技术一点通:河南科学技术出版社,2008.5:第193页
7参考来源:http://history.m4.cn/2013-02/1201209.shtml

逻辑门电图通常用二极管和三极管来实现,二极管和三极管被普遍应用在集成电路中。
当多个与非门组合在一起,按照预定的编程顺序操作时,就可以完成复杂的逻辑运算8。由于二进制的逻辑组装简单,计算机内部处理的数字基本上使用二进制方法,在计算机被广泛使用的今天,二进制也越来越受到人们的关注——飞机的航线,导弹远程调整姿态,电网的运行,万里之外的股票交易,远程就医,远程视频会议,等等。如今,一国的经济、军事、生命,都与运行在二进制基础上的一行行代码息息相关。
所以我们会说,半导体的世界是由基本的0和1组成的。今后随着5G的高速发展,各行各业对于半导体的依赖也会越来越深。
如果把电脑类比成大脑,那么半导体就像人类的神经元一样。不同的是,人类的神经元和大脑没有办法进行扩大或压缩,而半导体依旧有很大的发展空间。

二进制与语言文字转换

尽管半导体的世界是二进制组成的,我们的世界却拥有各种各样的文字、语言、声音和色彩。那么二进制与我们日常书写的文字怎么做转换呢?这就关系到国标码了!

 

8参考来源:https://blog.csdn.net/dog250/article/details/90571607

 

1980年,我国制定了《信息交换用汉字编码字符集·基本集》,国家标准 GB2312-80,代号国标码,是国家规定的汉字信息处理使用的代码依据。电视剧《创业年代》中,唐教授发明的中华卡,就是以国标码为故事原型,打破了电脑无法输入汉字的僵局,让中国人也能用上外国人发明的电脑。
在GB2312-80中,收进汉字6763个,其中一级汉字3755个,二级汉字3008个。一级汉字为常用字,按拼音顺序排列,二级汉字为次常用字,按部首排列。
汉字编码表有94行区号、94列位号。双字节中,用高字节表示区号,低字节表示位号。非汉字图形符号置于第1~11区,一级汉字3755个,位于第16~55区,二级汉字3008个,置于第56~87区9
每个图形字符的汉字交换码,均用两个字节的低7位二进制码表示。汉字国标码通常用十六进制数表示。

 

9参考来源:https://blog.csdn.net/jxnu_xiaobing/article/details/8780202


例如:“中国”二字
“中”字的区号为 54,位号为48。
二进制数国标码为:01010110 01010000
“国”字的区号为25,位号为90。
二进制数国标码为:00111001 01111010

二进制与电影

如果文字能用二进制来记录,那么影像画面和声音呢?
当然也是可以的!本质上来说图片是由一个个马赛克小点组成的,电影是由一张张图片组成的,图片和电影都可以用二进制来保存。

再说声音,声音是由物体振动产生的,我们小时候玩过的八音盒,就是非常原始的二进制声音存储设备,再到后面的唱片,都是运用了二进制的原理。

但用二进制数来记录电影、音乐和图片,会使原本的文件质量遭到严重的损坏和畸变!比如你的照片,把你的照片放大100倍,你就会发现照片上满满都是马赛克,根本看不出原来的样子!但如果我们把这些损坏和畸变控制在肉眼无法察觉的范围内,就需要用更大空间的存储类半导体啦!

三进制半导体

去年,蔚山科学技术大学(UNIST)电子与计算机工程系的教授Kim Kyung Rok教授和他的团队,成功地创造了一种在三进制逻辑系统而不是现有的二进制逻辑系统中运行的半导体10。三进制是以3为底数的进位制,它采用0、1、2三个数码,逢三进一,退一还三,这将有助于未来低功耗和高计算能力微芯片的开发。

随着技术进步,真空管和晶体管等计算机元器件被速度更快、可靠性更好的铁氧体磁芯和半导体二极管取代。三进制逻辑电路不但比二进制逻辑电路速度更快、可靠性更高,而且需要的设备和电能也更少。这种逻辑表达方式更匹配计算机在人工智能方面的发展趋势。

如果三进制半导体技术商业化,这将标志着芯片产业发生根本性转变,也将对人工智能、无人驾驶汽车、物联网、生物芯片和机器人等严重依赖半导体的产业产生积极影响。任何一项技术想要接近完美,必须重视基础的建设,进制越多,逻辑思维越快,尤其是自动化领域。但三进制半导体想要发展也不简单,专业领域的研发并不是最难的地方,通用领域的整体代换才是最困难的技术。

 

10参考来源:http://www.techweb.com.cn/world/2019-07-18/2745095.shtml


二进制固然好用,驰骋编程界将近100年,但总有一些勇于探索的人想要突破原来的规则。也正是有这些人的存在,时代才会一直发展进步,谁能想得到,80余年前,电脑需要三四个教室的空间放置。而80年后,只需要一台轻薄的笔记本呢!

从1和0开始出发,一起与SK海力士探索世界的无限可能吧!

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