计算机工程的物理基础 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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[美] 玛里琳·沃尔夫（Marilyn Wolf） 著，林水生 阎波 覃昊洁等译 译

图书标签:

• 计算机工程
• 物理基础
• 半导体物理
• 数字电路
• 模拟电路
• 电磁场与电磁波
• 量子力学
• 固体物理
• 材料科学
• 电子学

出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111590743

版次：1

商品编码：12319189

品牌：机工出版

包装：平装

丛书名： 计算机科学丛书

开本：16开

出版时间：2018-03-01

用纸：胶版纸

页数：217

内容简介

本书讲解计算机底层的物理原理。一方面，晶体管正在逐渐缩小到纳米尺度；另一方面，大规模计算机及其数据中心的耗能在大幅增长。这使得实现计算机的性能、功耗和可靠性变得越来越困难。本书描述的物理原理涵盖了计算机的所有抽象层次，使读者从一个崭新的视角来理解计算机系统以及软件和硬件的设计。

目录

目　　录
The Physics of Computing
出版者的话
译者序
前言
第1章　电子计算机 1
1.1　引言 1
1.2　计算机发展史 1
1.2.1　机械式计算设备 1
1.2.2　计算理论 3
1.2.3　电子计算机 5
1.3　计算机系统指标 7
1.4　本书一览 8
1.5　小结 9
第2章　晶体管与集成电路 10
2.1　引言 10
2.2　电子器件和电子电路 10
2.2.1　早期的真空管器件 10
2.2.2　真空三极管 11
2.3　材料物理 15
2.3.1　金属材料 15
2.3.2　玻耳兹曼常数与温度 18
2.3.3　半导体材料 19
2.4　固态器件 24
2.4.1　半导体二极管 24
2.4.2　MOS电容器 27
2.4.3　MOSFET的基本操作 30
2.4.4　MOSFET的高级特征 37
2.5　集成电路 40
2.5.1　摩尔定律 41
2.5.2　制造工艺 42
2.5.3　光刻技术 45
2.5.4　良品率 47
2.5.5　特征分离 48
2.6　小结 49
第3章　逻辑门 52
3.1　引言 52
3.2　CMOS反相器 53
3.3　门电路的静态特性 55
3.4　延迟 60
3.4.1　晶体管模型 60
3.4.2　RC模型的延迟 63
3.4.3　驱动与负载 69
3.5　功耗与能量 70
3.6　缩放原理 74
3.7　可靠性 78
3.8　小结 80
第4章　时序机 83
4.1　引言 83
4.2　组合逻辑 83
4.2.1　事件模型 83
4.2.2　网络模型 84
4.2.3　增益与可靠性 86
4.2.4　增益与延迟 88
4.2.5　延迟与功耗 91
4.2.6　逻辑与互连中的噪声和可靠性 91
4.2.7　电源与可靠性 92
4.2.8　噪声与输入/输出耦合 97
4.3　互连 98
4.3.1　寄生阻抗 98
4.3.2　传输线 99
4.3.3　串扰 104
4.3.4　布线复杂度与兰特规则 105
4.4　时序机 107
4.4.1　时序模型 107
4.4.2　寄存器 109
4.4.3　时钟 112
4.4.4　亚稳态 117
4.5　小结 120
第5章　处理器与系统 124
5.1　引言 124
5.2　系统可靠性 125
5.3　处理器 127
5.3.1　微处理器的特性 128
5.3.2　总线和互连 129
5.3.3　全局通信 133
5.3.4　时钟 135
5.4　存储器 139
5.4.1　存储器结构 140
5.4.2　存储器系统的性能 143
5.4.3　DRAM系统 145
5.4.4　DRAM的可靠性 146
5.5　大容量存储器 147
5.5.1　磁盘驱动器 147
5.5.2　闪存 148
5.5.3　存储和性能 151
5.6　系统功耗 151
5.6.1　服务器系统 152
5.6.2　便携系统与电池 154
5.6.3　功耗管理 157
5.7　热传递 157
5.7.1　热传递的特性 158
5.7.2　热传递的模型 160
5.7.3　热与可靠性 165
5.7.4　热管理 166
5.8　小结 167
第6章　输入和输出 169
6.1　引言 169
6.2　显示器 169
6.3　图像传感器 174
6.4　触摸传感器 178
6.5　传声器 179
6.6　加速度计和惯性传感器 180
6.7　小结 181
第7章　新兴技术 183
7.1　引言 183
7.2　碳纳米管 183
7.3　量子计算机 185
7.4　小结 189
附录A　常量与公式 190
附录B　电路 193
附录C　概率 201
附录D　高级主题 203
参考文献 213

前言/序言

前　　言The Physics of Computing本书试图从更广泛、更基础的角度来描述计算机工程。一直以来，计算机系统设计采用的都是示例驱动的方法，大量软件都遵循从理论到实现的设计过程——比如排序算法。以前，我们并不能十分确定计算机系统设计中的一些关键问题，因此需要针对特定的系统需求进行分析研究，但是现在，我们已经能够对其中的许多问题进行普适描述。本书中计算机工程设计方法的核心则是那些更基础的理论。
数字系统的基本原理是我们学习的重中之重，因为现在我们已经很难再触摸到或看到逻辑电路层面的操作。当我还是学生的时候，大多数系统由电路板搭建而成，而电路板则由小规模集成（SSI）逻辑电路和中规模集成（MSI）逻辑电路组成。我们当时别无选择，必须通过分析电路和信号波形来解决问题。而现在，所有东西都隐藏在一块芯片里面，即使对于电路板来说，连线也更细并且更难以分析。今天，许多学生只知道芯片中处理的是“0”和“1”，而对计算机系统中的电压与电流毫无概念。
本书并不要求学生设计任何东西，而是将带领学生研究决定计算机系统设计空间的基本原理。我认为这些基本原理相对于计算机系统就像控制面板上的旋钮相对于仪表一样：改变旋钮的设置会导致仪表数值发生变化，并且一个旋钮可能会影响几个仪表数值。想想看，这就像是降低MOS电介质厚度之后的连锁效应：晶体管跨导发生变化，进而缩短门电路的延迟，却增大了泄漏电流。
工程师不能只在理想情况下进行系统设计，而应该关注一系列的指标或需求。计算机架构设计的经典指标是性能，或者更准确地说是吞吐量。但实际设计时还必须兼顾一些其他指标，其中最重要的就是能耗以及可靠性。性能、功耗和可靠性都是底层物理现象的基础，并与物理实现有着千丝万缕的联系：改善其中一个指标可能会导致其他指标恶化。就像一句老话，天下没有免费的午餐，这也同样适用于计算机系统设计领域。
计算机工程是一个相对较新的研究领域，刚开始时往往专注于如何设计与归类——如实现某个系统，或者通过不同方式实现某个系统。随着该领域的逐渐成熟，现在可以开始研究其基本原理了。生物学家E. O. Wilson曾说过，“一个领域最初由提出的问题定义，但最终则由这个问题的答案确定。”计算机工程设计领域经过70年的发展，是时候开始思考这个答案了。
我关注计算机系统设计领域很长时间了。多年来，性能一直是计算机系统设计最重要的指标，当然，在ASIC设计领域则更关注面积（也就是成本）。在Perry Cook教授和我开设的关于普适信息系统的课程中，我开始更加认真地考虑其他限制因素，特别是功耗。佐治亚理工学院的这门新课程推动我把这一思路完善成合乎逻辑的结论。
这门课程涵盖了计算机系统的工程设计与物理实现。一些在计算机架构甚至软件设计中最基本的现象，比如内存墙、电源墙、快速暗场（race to dark）等问题，都与其物理基础有关。要想理解这些专业的计算问题，仅有肖克利半导体理论是远远不够的，我们还需要了解热力学、静电学以及大量的电路理论知识。
当我思考本书内容时，我意识到玻耳兹曼常数k是一个关键概念。k随处可见：二极管方程、阿伦尼乌斯方程、温度等，数不胜数。玻耳兹曼常数将温度和能耗联系在一起，因此它理所应当地与本书主题紧密相关。
本书中的某些内容仅针对现代CMOS技术，比如漏电机制，而其他内容则可能适用于大量电路与元器件技术。对于计算机工程师而言，即使CMOS被其他技术所取代，逻辑线网延迟、亚稳态以及可靠性基础也仍然属于应掌握的基础知识。
一些读者可能会觉得本书中的部分内容过于简单和精练，但我希望这些读者能够在本书的其他部分找到浓缩和高深的感觉。理解计算机工作原理的唯一途径就是了解所有相关主题之间的关联，即使在刚开始时关联性表现得并不明显。我们知道设计过程中的一些关键点是相互联系的，因为当调节其中一个参数来优化设计时，却往往发现其副作用会抵消其他优势。本书将用尽可能简单的方式来描述概念，希望读者能够对它们有基本的了解。感兴趣的读者可以自行深入学习，不过本书的主要目的是为计算机物理实现提供统一的描述。
本书同时适用于计算机工程师和电子工程师。但这两类读者具有的知识背景差异很大：计算机工程师往往缺乏电路设计经验，即便他们知道基尔霍夫定律，但仍不擅长电路分析；而电子工程师则往往对计算机体系结构所知甚少。本书写作过程中的一个挑战就是为每一类读者都提供足够多的知识背景。
本书涵盖了大量的发现史和发明史。首先，回顾那些影响当下技术的设计方案，能够使我们认识到一个问题总有多种解决方案，并且能够令我们关注那些经过历史沉淀下来的方案的真正优势。其次，20世纪一些最重要的发明都来自于半导体物理和计算机工程领域。这些发明在未来的几个世纪里仍然有用，但我们不能因为习惯了而忘记对这些发明以及发明家致以深深的敬意。
本书的最初灵感来源于Richard Feynman所著的《Lectures on Computing》一书，但那本书主要讲述量子计算，并没有考虑太多传统计算领域的问题。比如，Feynman并没有提及的亚稳态其实是计算机系统设计中的一个基本物理现象。我们对Feynman在计算机物理本质方面的早期认知致以崇高的敬意，并感谢他所著的《Lectures on Physics》一书，这本书为我们认识计算机底层的基本物理现象提供了一个清晰且简洁的思路。
本书在写作过程中得到了许多人的帮助，他们是：我的朋友及同事Saibal Mukhopodhyay开设了“Physical Foundations of Computer Engineering”课程，他提供了许多具体建议，尤其在可靠性及漏电机制方面，在此对他的耐心及洞察力表示衷心的感谢；Dave Coelho慷慨地提供了有关配电系统的相关信息；Kees Vissers提出了弧焊机电流比较法；Alec Ishii在时钟分配方面提供了建议；Kevin Cao给出了如何最有效地利用预测技术模型（Predictive Technology Model）的建议；Bruce Jacob对DRAM提供了见解；Srini Devadas为附录D提供了建议；Tom Conte提供了关于内核存储、Pentium Pro的内容，并针对当今及未来计算展开了讨论。感谢审稿人的宝贵意见，感谢编辑Nate McFadden为本书的开发及出版提供的指导意见。若你发现本书中的任何错误，可以直接联系我。
玛里琳·沃尔夫（Marilyn Wolf）亚特兰大

深入探索无形世界的构建者：一本关于支撑现代科技的底层原理的书籍 这本书并非直接探讨某本特定图书，而是旨在勾勒出一类至关重要的知识领域——那些构成我们今日数字世界基石的物理原理。它聚焦于那些“看不见”的、但无处不在的自然法则，正是这些法则赋予了计算机科学以生命，使其能够从抽象的代码转化为驱动我们生活各个方面的强大工具。 想象一下，当您点击鼠标，屏幕上随之出现您期望的文字或图像，这背后究竟发生了什么？是什么让微小的电子在导线中奔腾，又是什么让它们在晶体管中被精确地控制，从而执行复杂的逻辑运算？本书将带领读者深入探究这些问题的根源，揭示信息如何在最基本的物理层面上被编码、传输和处理。 量子世界的奇妙舞步：信息处理的微观基石 我们首先会潜入量子力学的深邃海洋。在这个尺度上，经典物理学的直觉往往失效，取而代之的是概率、叠加和纠缠等令人着迷的现象。电子不再是简单的粒子，而是同时占据多种状态的叠加态。而晶体管，这个现代电子设备的核心构件，其工作原理就建立在半导体材料的量子力学特性之上。通过理解能带理论、费米能级以及载流子的行为，我们将能清晰地看到，为何某些材料导电，而另一些则绝缘，以及如何通过掺杂等手段巧妙地控制这种导电性，从而构建出能够执行开关操作的晶体管。 本书将详细阐述半导体物理学的关键概念，例如 PN 结的形成、二极管的整流效应以及 MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）的工作机制。我们将追溯晶体管如何从一个简单的开关演变为现代集成电路中数以亿计的复杂逻辑门，这是数字计算能力的指数级增长的关键。理解量子效应不仅是理解现代计算硬件的必要条件，更是未来计算技术（如量子计算）的基础。 电磁学的脉动：信号的传递与干扰 信息在计算机内部和设备之间以电信号的形式传递。这就要深入到电磁学的广阔领域。从麦克斯韦方程组的优雅简洁，到电场和磁场如何相互作用，生成并传播电磁波，我们得以理解信息是如何被编码成电压或电流的变化，然后在导线中以接近光速的速度传播。 本书将详细探讨电路理论，包括欧姆定律、基尔霍夫定律以及电容、电感在信号传输中的作用。我们将分析信号的反射、衰减和失真，以及这些现象如何限制了数据的传输速率和可靠性。理解电磁兼容性（EMC）和信号完整性（SI）对于设计高性能、高可靠性的电子系统至关重要。我们将探讨如何通过合理的布线、屏蔽和滤波技术来最小化噪声和干扰，确保信息在复杂电子环境中不被破坏。 热力学的束缚：能耗与散热的挑战 随着计算能力的不断攀升，能量消耗和散热问题也日益严峻。本书将审视热力学的基本定律如何影响计算机系统的设计和性能。每一比特信息的处理都需要消耗能量，而这些能量的损耗最终会以热量的形式散发出来。 我们将探讨计算功耗的来源，包括动态功耗（与开关次数和电压相关）和静态功耗（漏电流）。理解热力学第二定律的局限性，以及如何通过优化算法、采用低功耗设计技术和高效的散热方案来应对散热挑战。从简单的散热片到复杂的液冷系统，我们将了解各种散热技术是如何将计算机内部产生的巨大热量导离核心部件，维持其稳定运行。这不仅是工程上的考量，更是可持续计算和绿色技术发展的重要议题。 材料的智慧：性能的基石 支撑这一切的是材料科学的进步。本书将探讨构成电子器件的各种材料，以及它们独特的物理性质如何决定了器件的性能。从硅的纯化和晶圆制造，到导线中的铜或金，再到绝缘层中的二氧化硅或氮化硅，每一种材料的选择都经过精密的计算和权衡。 我们将深入了解半导体材料的晶体结构、杂质对导电性的影响，以及半导体工艺中的关键步骤，如光刻、刻蚀和薄膜沉积。这些工艺是如何将抽象的电路设计转化为微观的物理结构，实现数十亿个晶体管的精确排列。材料科学的突破，例如高迁移率材料或新型绝缘体，直接驱动了计算性能的提升，也为未来更小的、更高效的电子器件铺平了道路。 集成与系统：从微观到宏观的飞跃 最后，本书将把这些分散的物理原理整合起来，展示它们是如何共同作用，构建出我们熟悉的计算机系统。从单个晶体管，到逻辑门，再到微处理器、内存和输入输出设备，每一个层级的构建都离不开底层物理学的支撑。 我们将探讨集成电路的设计流程，以及如何将复杂的逻辑功能实现为微小的硅片上的互连电路。我们将了解存储器的原理，无论是 DRAM 的电容存储还是 NAND Flash 的浮栅存储，其工作原理都深深植根于物理现象。同时，我们也需要理解接口技术，例如 USB、PCIe 等，它们是如何在不同设备之间以高效、可靠的方式传输数据的，这背后同样涉及电磁学和信号完整性的考量。 这本书将为读者提供一个全新的视角，去理解我们日常使用的电子设备并非凭空产生，而是建立在一系列深刻而优雅的物理原理之上。它将揭示信息的本质，探索能量的流动，展现材料的奥秘，并最终连接起微观粒子与我们宏伟的数字世界。这是一趟关于“无形”之物的探索之旅，一次对现代科技底层逻辑的深度解析。它不仅仅是关于“计算机工程的物理基础”，更是关于如何用物理学的语言来解读和塑造我们生活的方方面面，以及展望计算技术未来的无限可能。

评分☆☆☆☆☆

读完前几章后，我最大的感受是作者在内容深度上的把控达到了一个近乎完美的平衡点。它既没有停留在泛泛而谈的科普层面，让人读完后感觉“什么都懂一点，但什么都不精通”，也没有陷入过于偏执的数学推导泥潭，让工程人员望而却步。这本书真正做到了“恰到好处”——它提供了足够的数学工具来支撑物理模型的建立，但又确保这些数学工具是为理解工程现象服务的，而不是为了炫技。比如，在讨论载流子输运机制时，作者引用了经典统计力学和初步的量子场论概念，但所有的推导都清晰地标注了其物理意义，这一点至关重要。我发现自己过去在设计高频电路时遇到的一些性能瓶颈，通过回顾书中对介质损耗和电磁波传播特性的物理分析，茅塞顿开。这本书迫使我重新审视那些我们日常工作中视为“常识”的工程假设，去追溯它们背后的物理根源。这种深度挖掘，对于期望突破现有技术瓶颈、进行下一代系统架构设计的人来说，是无可替代的价值所在。它提供了一种全新的、更底层的思维框架。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计非常吸引人，色彩搭配稳重又不失现代感，一下子就抓住了我的眼球。我本来就对电子学和材料学有着浓厚的兴趣，所以看到“物理基础”这个关键词时，我就知道这可能是一本能让我深入了解底层原理的宝藏。拿到书后，我迫不及待地翻阅了一下目录，发现它涵盖了从半导体器件的量子力学基础，到集成电路设计中的热力学考量，内容组织得非常系统和严谨。作者似乎非常擅长将抽象的物理概念与实际的工程应用巧妙地结合起来，不像有些教科书那样晦涩难懂，让人望而却步。我尤其欣赏它在介绍新概念时，总是先从宏观现象入手，再逐步深入到微观的物理机制，这种由浅入深的讲解方式，极大地降低了学习的门槛。对于我这种非科班出身，但又想在工作中提升理论深度的读者来说，这本参考书无疑是绝佳的选择。它不仅仅是知识的堆砌，更像是一份精心烹制的思维导图，指引着我们如何用物理的视角去审视和解决计算机工程中的实际问题。这本书的排版也很舒服，字体大小和行距都经过了精心设计，长时间阅读也不会感到眼睛疲劳，这一点对于需要啃读专业书籍的人来说，简直是福音。

评分☆☆☆☆☆

这本书的实例分析部分是其最大的亮点之一，完全颠覆了我对传统教材的刻板印象。很多技术书籍的实例往往是孤立的、脱离实际应用背景的，读起来像是为了凑字数。然而，这本书的每一个案例都紧密围绕着现代计算设备的核心挑战展开，比如从纳米尺度下晶体管漏电流的物理根源分析，到新型存储器（如MRAM或RRAM）的工作原理与物理限制。这些案例不仅仅是应用了书中的理论，更是理论与工程实践之间的一次精彩对话。作者似乎非常清楚当前行业关注的热点和难点在哪里，并用最清晰的物理模型进行了解构。我特别喜欢它在讨论热效应时，不仅停留在欧姆定律的层面，而是深入到晶格振动和电子-声子散射的微观机制，并将其与芯片的散热设计联系起来。这种跨越多个尺度的、结构化的知识呈现方式，极大地提升了我的问题解决能力。它教会我的不是“如何计算”，而是“为什么这样计算有效”，这才是真正的工程智慧。

评分☆☆☆☆☆

这本书最让我感到惊喜的是它对未来技术趋势的远见性布局。它没有仅仅局限于介绍当前主流的CMOS技术，而是花了不少篇幅探讨了后摩尔时代可能出现的物理瓶颈，以及新兴的计算范式所依赖的物理原理。例如，对拓扑绝缘体在低功耗逻辑中的潜力分析，以及量子计算中相干性维持的物理学挑战，这些内容虽然对当前的项目不一定能立刻派上用场，但对于保持技术前瞻性至关重要。这本书像是一份面向未来十年的“物理路线图”，它展示了计算机工程的边界正在被物理学的突破所拓宽。它激发了我去探索那些尚未被广泛工程化的基础科学前沿。如果说市面上大多数书籍教你如何优化现有系统，那么这本书则是在教你如何理解支撑这些系统的基本定律，并引导你去思考如何利用更深层的物理原理来创造全新的计算范式。它不仅仅是一本教材，更像是一份给予工程师的智力激励，促使我们不断向学科的边界迈进。

评分☆☆☆☆☆

从排版和可读性上来讲，这本书简直是专业书籍中的一股清流。我曾经读过一些同样高深的著作，但由于图表质量低下、公式排版混乱，导致理解难度倍增。然而，这本书的印刷质量和插图绘制水平令人印象深刻。所有的示意图、能带图和器件结构图都清晰锐利，标注精确无误。特别是对于那些涉及空间几何和矢量分析的物理模型，作者提供的三维透视图或剖面图，极大地帮助我建立了直观的物理图像。文字叙述风格也保持了一种严谨又不失温度的基调，语气流畅自然，没有那种为了追求学术性而刻意制造的晦涩感。阅读体验非常流畅，即使面对复杂的偏微分方程组，作者也能通过简洁的文字引导读者关注其物理意义，而不是沉溺于符号操作的迷宫。对于需要反复查阅特定公式或概念的读者来说，书后的索引和术语表也做得非常详尽，体现了编者对使用者的尊重和细致入微的考量。