計算機工程的物理基礎 下載 mobi epub pdf 電子書 2025

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[美] 瑪裏琳·沃爾夫（Marilyn Wolf） 著，林水生 閻波 覃昊潔等譯 譯

圖書標籤:

• 計算機工程
• 物理基礎
• 半導體物理
• 數字電路
• 模擬電路
• 電磁場與電磁波
• 量子力學
• 固體物理
• 材料科學
• 電子學

齣版社： 機械工業齣版社

ISBN：9787111590743

版次：1

商品編碼：12319189

品牌：機工齣版

包裝：平裝

叢書名： 計算機科學叢書

開本：16開

齣版時間：2018-03-01

用紙：膠版紙

頁數：217

內容簡介

本書講解計算機底層的物理原理。一方麵，晶體管正在逐漸縮小到納米尺度；另一方麵，大規模計算機及其數據中心的耗能在大幅增長。這使得實現計算機的性能、功耗和可靠性變得越來越睏難。本書描述的物理原理涵蓋瞭計算機的所有抽象層次，使讀者從一個嶄新的視角來理解計算機係統以及軟件和硬件的設計。

目錄

目　　錄
The Physics of Computing
齣版者的話
譯者序
前言
第1章　電子計算機 1
1.1　引言 1
1.2　計算機發展史 1
1.2.1　機械式計算設備 1
1.2.2　計算理論 3
1.2.3　電子計算機 5
1.3　計算機係統指標 7
1.4　本書一覽 8
1.5　小結 9
第2章　晶體管與集成電路 10
2.1　引言 10
2.2　電子器件和電子電路 10
2.2.1　早期的真空管器件 10
2.2.2　真空三極管 11
2.3　材料物理 15
2.3.1　金屬材料 15
2.3.2　玻耳茲曼常數與溫度 18
2.3.3　半導體材料 19
2.4　固態器件 24
2.4.1　半導體二極管 24
2.4.2　MOS電容器 27
2.4.3　MOSFET的基本操作 30
2.4.4　MOSFET的高級特徵 37
2.5　集成電路 40
2.5.1　摩爾定律 41
2.5.2　製造工藝 42
2.5.3　光刻技術 45
2.5.4　良品率 47
2.5.5　特徵分離 48
2.6　小結 49
第3章　邏輯門 52
3.1　引言 52
3.2　CMOS反相器 53
3.3　門電路的靜態特性 55
3.4　延遲 60
3.4.1　晶體管模型 60
3.4.2　RC模型的延遲 63
3.4.3　驅動與負載 69
3.5　功耗與能量 70
3.6　縮放原理 74
3.7　可靠性 78
3.8　小結 80
第4章　時序機 83
4.1　引言 83
4.2　組閤邏輯 83
4.2.1　事件模型 83
4.2.2　網絡模型 84
4.2.3　增益與可靠性 86
4.2.4　增益與延遲 88
4.2.5　延遲與功耗 91
4.2.6　邏輯與互連中的噪聲和可靠性 91
4.2.7　電源與可靠性 92
4.2.8　噪聲與輸入/輸齣耦閤 97
4.3　互連 98
4.3.1　寄生阻抗 98
4.3.2　傳輸綫 99
4.3.3　串擾 104
4.3.4　布綫復雜度與蘭特規則 105
4.4　時序機 107
4.4.1　時序模型 107
4.4.2　寄存器 109
4.4.3　時鍾 112
4.4.4　亞穩態 117
4.5　小結 120
第5章　處理器與係統 124
5.1　引言 124
5.2　係統可靠性 125
5.3　處理器 127
5.3.1　微處理器的特性 128
5.3.2　總綫和互連 129
5.3.3　全局通信 133
5.3.4　時鍾 135
5.4　存儲器 139
5.4.1　存儲器結構 140
5.4.2　存儲器係統的性能 143
5.4.3　DRAM係統 145
5.4.4　DRAM的可靠性 146
5.5　大容量存儲器 147
5.5.1　磁盤驅動器 147
5.5.2　閃存 148
5.5.3　存儲和性能 151
5.6　係統功耗 151
5.6.1　服務器係統 152
5.6.2　便攜係統與電池 154
5.6.3　功耗管理 157
5.7　熱傳遞 157
5.7.1　熱傳遞的特性 158
5.7.2　熱傳遞的模型 160
5.7.3　熱與可靠性 165
5.7.4　熱管理 166
5.8　小結 167
第6章　輸入和輸齣 169
6.1　引言 169
6.2　顯示器 169
6.3　圖像傳感器 174
6.4　觸摸傳感器 178
6.5　傳聲器 179
6.6　加速度計和慣性傳感器 180
6.7　小結 181
第7章　新興技術 183
7.1　引言 183
7.2　碳納米管 183
7.3　量子計算機 185
7.4　小結 189
附錄A　常量與公式 190
附錄B　電路 193
附錄C　概率 201
附錄D　高級主題 203
參考文獻 213

前言/序言

前　　言The Physics of Computing本書試圖從更廣泛、更基礎的角度來描述計算機工程。一直以來，計算機係統設計采用的都是示例驅動的方法，大量軟件都遵循從理論到實現的設計過程——比如排序算法。以前，我們並不能十分確定計算機係統設計中的一些關鍵問題，因此需要針對特定的係統需求進行分析研究，但是現在，我們已經能夠對其中的許多問題進行普適描述。本書中計算機工程設計方法的核心則是那些更基礎的理論。
數字係統的基本原理是我們學習的重中之重，因為現在我們已經很難再觸摸到或看到邏輯電路層麵的操作。當我還是學生的時候，大多數係統由電路闆搭建而成，而電路闆則由小規模集成（SSI）邏輯電路和中規模集成（MSI）邏輯電路組成。我們當時彆無選擇，必須通過分析電路和信號波形來解決問題。而現在，所有東西都隱藏在一塊芯片裏麵，即使對於電路闆來說，連綫也更細並且更難以分析。今天，許多學生隻知道芯片中處理的是“0”和“1”，而對計算機係統中的電壓與電流毫無概念。
本書並不要求學生設計任何東西，而是將帶領學生研究決定計算機係統設計空間的基本原理。我認為這些基本原理相對於計算機係統就像控製麵闆上的鏇鈕相對於儀錶一樣：改變鏇鈕的設置會導緻儀錶數值發生變化，並且一個鏇鈕可能會影響幾個儀錶數值。想想看，這就像是降低MOS電介質厚度之後的連鎖效應：晶體管跨導發生變化，進而縮短門電路的延遲，卻增大瞭泄漏電流。
工程師不能隻在理想情況下進行係統設計，而應該關注一係列的指標或需求。計算機架構設計的經典指標是性能，或者更準確地說是吞吐量。但實際設計時還必須兼顧一些其他指標，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層物理現象的基礎，並與物理實現有著韆絲萬縷的聯係：改善其中一個指標可能會導緻其他指標惡化。就像一句老話，天下沒有免費的午餐，這也同樣適用於計算機係統設計領域。
計算機工程是一個相對較新的研究領域，剛開始時往往專注於如何設計與歸類——如實現某個係統，或者通過不同方式實現某個係統。隨著該領域的逐漸成熟，現在可以開始研究其基本原理瞭。生物學傢E. O. Wilson曾說過，“一個領域最初由提齣的問題定義，但最終則由這個問題的答案確定。”計算機工程設計領域經過70年的發展，是時候開始思考這個答案瞭。
我關注計算機係統設計領域很長時間瞭。多年來，性能一直是計算機係統設計最重要的指標，當然，在ASIC設計領域則更關注麵積（也就是成本）。在Perry Cook教授和我開設的關於普適信息係統的課程中，我開始更加認真地考慮其他限製因素，特彆是功耗。佐治亞理工學院的這門新課程推動我把這一思路完善成閤乎邏輯的結論。
這門課程涵蓋瞭計算機係統的工程設計與物理實現。一些在計算機架構甚至軟件設計中最基本的現象，比如內存牆、電源牆、快速暗場（race to dark）等問題，都與其物理基礎有關。要想理解這些專業的計算問題，僅有肖剋利半導體理論是遠遠不夠的，我們還需要瞭解熱力學、靜電學以及大量的電路理論知識。
當我思考本書內容時，我意識到玻耳茲曼常數k是一個關鍵概念。k隨處可見：二極管方程、阿倫尼烏斯方程、溫度等，數不勝數。玻耳茲曼常數將溫度和能耗聯係在一起，因此它理所應當地與本書主題緊密相關。
本書中的某些內容僅針對現代CMOS技術，比如漏電機製，而其他內容則可能適用於大量電路與元器件技術。對於計算機工程師而言，即使CMOS被其他技術所取代，邏輯綫網延遲、亞穩態以及可靠性基礎也仍然屬於應掌握的基礎知識。
一些讀者可能會覺得本書中的部分內容過於簡單和精練，但我希望這些讀者能夠在本書的其他部分找到濃縮和高深的感覺。理解計算機工作原理的唯一途徑就是瞭解所有相關主題之間的關聯，即使在剛開始時關聯性錶現得並不明顯。我們知道設計過程中的一些關鍵點是相互聯係的，因為當調節其中一個參數來優化設計時，卻往往發現其副作用會抵消其他優勢。本書將用盡可能簡單的方式來描述概念，希望讀者能夠對它們有基本的瞭解。感興趣的讀者可以自行深入學習，不過本書的主要目的是為計算機物理實現提供統一的描述。
本書同時適用於計算機工程師和電子工程師。但這兩類讀者具有的知識背景差異很大：計算機工程師往往缺乏電路設計經驗，即便他們知道基爾霍夫定律，但仍不擅長電路分析；而電子工程師則往往對計算機體係結構所知甚少。本書寫作過程中的一個挑戰就是為每一類讀者都提供足夠多的知識背景。
本書涵蓋瞭大量的發現史和發明史。首先，迴顧那些影響當下技術的設計方案，能夠使我們認識到一個問題總有多種解決方案，並且能夠令我們關注那些經過曆史沉澱下來的方案的真正優勢。其次，20世紀一些最重要的發明都來自於半導體物理和計算機工程領域。這些發明在未來的幾個世紀裏仍然有用，但我們不能因為習慣瞭而忘記對這些發明以及發明傢緻以深深的敬意。
本書的最初靈感來源於Richard Feynman所著的《Lectures on Computing》一書，但那本書主要講述量子計算，並沒有考慮太多傳統計算領域的問題。比如，Feynman並沒有提及的亞穩態其實是計算機係統設計中的一個基本物理現象。我們對Feynman在計算機物理本質方麵的早期認知緻以崇高的敬意，並感謝他所著的《Lectures on Physics》一書，這本書為我們認識計算機底層的基本物理現象提供瞭一個清晰且簡潔的思路。
本書在寫作過程中得到瞭許多人的幫助，他們是：我的朋友及同事Saibal Mukhopodhyay開設瞭“Physical Foundations of Computer Engineering”課程，他提供瞭許多具體建議，尤其在可靠性及漏電機製方麵，在此對他的耐心及洞察力錶示衷心的感謝；Dave Coelho慷慨地提供瞭有關配電係統的相關信息；Kees Vissers提齣瞭弧焊機電流比較法；Alec Ishii在時鍾分配方麵提供瞭建議；Kevin Cao給齣瞭如何最有效地利用預測技術模型（Predictive Technology Model）的建議；Bruce Jacob對DRAM提供瞭見解；Srini Devadas為附錄D提供瞭建議；Tom Conte提供瞭關於內核存儲、Pentium Pro的內容，並針對當今及未來計算展開瞭討論。感謝審稿人的寶貴意見，感謝編輯Nate McFadden為本書的開發及齣版提供的指導意見。若你發現本書中的任何錯誤，可以直接聯係我。
瑪裏琳·沃爾夫（Marilyn Wolf）亞特蘭大

深入探索無形世界的構建者：一本關於支撐現代科技的底層原理的書籍 這本書並非直接探討某本特定圖書，而是旨在勾勒齣一類至關重要的知識領域——那些構成我們今日數字世界基石的物理原理。它聚焦於那些“看不見”的、但無處不在的自然法則，正是這些法則賦予瞭計算機科學以生命，使其能夠從抽象的代碼轉化為驅動我們生活各個方麵的強大工具。 想象一下，當您點擊鼠標，屏幕上隨之齣現您期望的文字或圖像，這背後究竟發生瞭什麼？是什麼讓微小的電子在導綫中奔騰，又是什麼讓它們在晶體管中被精確地控製，從而執行復雜的邏輯運算？本書將帶領讀者深入探究這些問題的根源，揭示信息如何在最基本的物理層麵上被編碼、傳輸和處理。 量子世界的奇妙舞步：信息處理的微觀基石 我們首先會潛入量子力學的深邃海洋。在這個尺度上，經典物理學的直覺往往失效，取而代之的是概率、疊加和糾纏等令人著迷的現象。電子不再是簡單的粒子，而是同時占據多種狀態的疊加態。而晶體管，這個現代電子設備的核心構件，其工作原理就建立在半導體材料的量子力學特性之上。通過理解能帶理論、費米能級以及載流子的行為，我們將能清晰地看到，為何某些材料導電，而另一些則絕緣，以及如何通過摻雜等手段巧妙地控製這種導電性，從而構建齣能夠執行開關操作的晶體管。 本書將詳細闡述半導體物理學的關鍵概念，例如 PN 結的形成、二極管的整流效應以及 MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管）的工作機製。我們將追溯晶體管如何從一個簡單的開關演變為現代集成電路中數以億計的復雜邏輯門，這是數字計算能力的指數級增長的關鍵。理解量子效應不僅是理解現代計算硬件的必要條件，更是未來計算技術（如量子計算）的基礎。 電磁學的脈動：信號的傳遞與乾擾 信息在計算機內部和設備之間以電信號的形式傳遞。這就要深入到電磁學的廣闊領域。從麥剋斯韋方程組的優雅簡潔，到電場和磁場如何相互作用，生成並傳播電磁波，我們得以理解信息是如何被編碼成電壓或電流的變化，然後在導綫中以接近光速的速度傳播。 本書將詳細探討電路理論，包括歐姆定律、基爾霍夫定律以及電容、電感在信號傳輸中的作用。我們將分析信號的反射、衰減和失真，以及這些現象如何限製瞭數據的傳輸速率和可靠性。理解電磁兼容性（EMC）和信號完整性（SI）對於設計高性能、高可靠性的電子係統至關重要。我們將探討如何通過閤理的布綫、屏蔽和濾波技術來最小化噪聲和乾擾，確保信息在復雜電子環境中不被破壞。 熱力學的束縛：能耗與散熱的挑戰 隨著計算能力的不斷攀升，能量消耗和散熱問題也日益嚴峻。本書將審視熱力學的基本定律如何影響計算機係統的設計和性能。每一比特信息的處理都需要消耗能量，而這些能量的損耗最終會以熱量的形式散發齣來。 我們將探討計算功耗的來源，包括動態功耗（與開關次數和電壓相關）和靜態功耗（漏電流）。理解熱力學第二定律的局限性，以及如何通過優化算法、采用低功耗設計技術和高效的散熱方案來應對散熱挑戰。從簡單的散熱片到復雜的液冷係統，我們將瞭解各種散熱技術是如何將計算機內部産生的巨大熱量導離核心部件，維持其穩定運行。這不僅是工程上的考量，更是可持續計算和綠色技術發展的重要議題。 材料的智慧：性能的基石 支撐這一切的是材料科學的進步。本書將探討構成電子器件的各種材料，以及它們獨特的物理性質如何決定瞭器件的性能。從矽的純化和晶圓製造，到導綫中的銅或金，再到絕緣層中的二氧化矽或氮化矽，每一種材料的選擇都經過精密的計算和權衡。 我們將深入瞭解半導體材料的晶體結構、雜質對導電性的影響，以及半導體工藝中的關鍵步驟，如光刻、刻蝕和薄膜沉積。這些工藝是如何將抽象的電路設計轉化為微觀的物理結構，實現數十億個晶體管的精確排列。材料科學的突破，例如高遷移率材料或新型絕緣體，直接驅動瞭計算性能的提升，也為未來更小的、更高效的電子器件鋪平瞭道路。 集成與係統：從微觀到宏觀的飛躍 最後，本書將把這些分散的物理原理整閤起來，展示它們是如何共同作用，構建齣我們熟悉的計算機係統。從單個晶體管，到邏輯門，再到微處理器、內存和輸入輸齣設備，每一個層級的構建都離不開底層物理學的支撐。 我們將探討集成電路的設計流程，以及如何將復雜的邏輯功能實現為微小的矽片上的互連電路。我們將瞭解存儲器的原理，無論是 DRAM 的電容存儲還是 NAND Flash 的浮柵存儲，其工作原理都深深植根於物理現象。同時，我們也需要理解接口技術，例如 USB、PCIe 等，它們是如何在不同設備之間以高效、可靠的方式傳輸數據的，這背後同樣涉及電磁學和信號完整性的考量。 這本書將為讀者提供一個全新的視角，去理解我們日常使用的電子設備並非憑空産生，而是建立在一係列深刻而優雅的物理原理之上。它將揭示信息的本質，探索能量的流動，展現材料的奧秘，並最終連接起微觀粒子與我們宏偉的數字世界。這是一趟關於“無形”之物的探索之旅，一次對現代科技底層邏輯的深度解析。它不僅僅是關於“計算機工程的物理基礎”，更是關於如何用物理學的語言來解讀和塑造我們生活的方方麵麵，以及展望計算技術未來的無限可能。

評分☆☆☆☆☆

這本書的實例分析部分是其最大的亮點之一，完全顛覆瞭我對傳統教材的刻闆印象。很多技術書籍的實例往往是孤立的、脫離實際應用背景的，讀起來像是為瞭湊字數。然而，這本書的每一個案例都緊密圍繞著現代計算設備的核心挑戰展開，比如從納米尺度下晶體管漏電流的物理根源分析，到新型存儲器（如MRAM或RRAM）的工作原理與物理限製。這些案例不僅僅是應用瞭書中的理論，更是理論與工程實踐之間的一次精彩對話。作者似乎非常清楚當前行業關注的熱點和難點在哪裏，並用最清晰的物理模型進行瞭解構。我特彆喜歡它在討論熱效應時，不僅停留在歐姆定律的層麵，而是深入到晶格振動和電子-聲子散射的微觀機製，並將其與芯片的散熱設計聯係起來。這種跨越多個尺度的、結構化的知識呈現方式，極大地提升瞭我的問題解決能力。它教會我的不是“如何計算”，而是“為什麼這樣計算有效”，這纔是真正的工程智慧。

評分☆☆☆☆☆

讀完前幾章後，我最大的感受是作者在內容深度上的把控達到瞭一個近乎完美的平衡點。它既沒有停留在泛泛而談的科普層麵，讓人讀完後感覺“什麼都懂一點，但什麼都不精通”，也沒有陷入過於偏執的數學推導泥潭，讓工程人員望而卻步。這本書真正做到瞭“恰到好處”——它提供瞭足夠的數學工具來支撐物理模型的建立，但又確保這些數學工具是為理解工程現象服務的，而不是為瞭炫技。比如，在討論載流子輸運機製時，作者引用瞭經典統計力學和初步的量子場論概念，但所有的推導都清晰地標注瞭其物理意義，這一點至關重要。我發現自己過去在設計高頻電路時遇到的一些性能瓶頸，通過迴顧書中對介質損耗和電磁波傳播特性的物理分析，茅塞頓開。這本書迫使我重新審視那些我們日常工作中視為“常識”的工程假設，去追溯它們背後的物理根源。這種深度挖掘，對於期望突破現有技術瓶頸、進行下一代係統架構設計的人來說，是無可替代的價值所在。它提供瞭一種全新的、更底層的思維框架。

評分☆☆☆☆☆

從排版和可讀性上來講，這本書簡直是專業書籍中的一股清流。我曾經讀過一些同樣高深的著作，但由於圖錶質量低下、公式排版混亂，導緻理解難度倍增。然而，這本書的印刷質量和插圖繪製水平令人印象深刻。所有的示意圖、能帶圖和器件結構圖都清晰銳利，標注精確無誤。特彆是對於那些涉及空間幾何和矢量分析的物理模型，作者提供的三維透視圖或剖麵圖，極大地幫助我建立瞭直觀的物理圖像。文字敘述風格也保持瞭一種嚴謹又不失溫度的基調，語氣流暢自然，沒有那種為瞭追求學術性而刻意製造的晦澀感。閱讀體驗非常流暢，即使麵對復雜的偏微分方程組，作者也能通過簡潔的文字引導讀者關注其物理意義，而不是沉溺於符號操作的迷宮。對於需要反復查閱特定公式或概念的讀者來說，書後的索引和術語錶也做得非常詳盡，體現瞭編者對使用者的尊重和細緻入微的考量。

評分☆☆☆☆☆

這本書最讓我感到驚喜的是它對未來技術趨勢的遠見性布局。它沒有僅僅局限於介紹當前主流的CMOS技術，而是花瞭不少篇幅探討瞭後摩爾時代可能齣現的物理瓶頸，以及新興的計算範式所依賴的物理原理。例如，對拓撲絕緣體在低功耗邏輯中的潛力分析，以及量子計算中相乾性維持的物理學挑戰，這些內容雖然對當前的項目不一定能立刻派上用場，但對於保持技術前瞻性至關重要。這本書像是一份麵嚮未來十年的“物理路綫圖”，它展示瞭計算機工程的邊界正在被物理學的突破所拓寬。它激發瞭我去探索那些尚未被廣泛工程化的基礎科學前沿。如果說市麵上大多數書籍教你如何優化現有係統，那麼這本書則是在教你如何理解支撐這些係統的基本定律，並引導你去思考如何利用更深層的物理原理來創造全新的計算範式。它不僅僅是一本教材，更像是一份給予工程師的智力激勵，促使我們不斷嚮學科的邊界邁進。

評分☆☆☆☆☆

這本書的封麵設計非常吸引人，色彩搭配穩重又不失現代感，一下子就抓住瞭我的眼球。我本來就對電子學和材料學有著濃厚的興趣，所以看到“物理基礎”這個關鍵詞時，我就知道這可能是一本能讓我深入瞭解底層原理的寶藏。拿到書後，我迫不及待地翻閱瞭一下目錄，發現它涵蓋瞭從半導體器件的量子力學基礎，到集成電路設計中的熱力學考量，內容組織得非常係統和嚴謹。作者似乎非常擅長將抽象的物理概念與實際的工程應用巧妙地結閤起來，不像有些教科書那樣晦澀難懂，讓人望而卻步。我尤其欣賞它在介紹新概念時，總是先從宏觀現象入手，再逐步深入到微觀的物理機製，這種由淺入深的講解方式，極大地降低瞭學習的門檻。對於我這種非科班齣身，但又想在工作中提升理論深度的讀者來說，這本參考書無疑是絕佳的選擇。它不僅僅是知識的堆砌，更像是一份精心烹製的思維導圖，指引著我們如何用物理的視角去審視和解決計算機工程中的實際問題。這本書的排版也很舒服，字體大小和行距都經過瞭精心設計，長時間閱讀也不會感到眼睛疲勞，這一點對於需要啃讀專業書籍的人來說，簡直是福音。