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真空管这50年的旅程,竟和摩尔定律意外重叠

2019-02-10 02:09
来源: 与非网

真空管的改进不在于小型化,而在于功率密度的提升。

自1971年第一个微处理器问世以来,已经走过了四十八个年头。在这段时间里,可以塞进芯片内的电子元件的数量增加了整整七个数量级,这种提升速度相当于晶体管数量每隔两年翻一番。

你可能认为,只有半导体芯片的晶体管密度保持了这样神奇的改进记录,其实,真空管电子器件的性能改进也同样惊人,只是它改进的关键指标和半导体器件有所不同罢了。

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二极管是真空管最简单的形式,它是由约翰·A·弗莱明于1904年发明的。短短三年之后,电子管之父李德弗雷斯特发明了三极管,到了二十世纪二十年代,他又发明了四极管和五极管。这些“网格”形式的电子管使用网格中的电压从一个电子源中调制出电流。对磁控管-另一种通过磁场挤压电子产生微波的真空管-的研究催生了1935年在该领域的头号专利,并促成了英国在1940年首次进行的雷达部署。首先应用在雷达中,后来在卫星通信和高能物理领域得到推广应用的速调管在1937年申请了专利,之后,到了二十世纪六十年代中期,苏联首次发明了微波,它可以产生毫米波功率,用于加热材料和等离子体。

这几代真空管的功率密度取得了突飞猛进的进步,它表述的是通过器件传输的最大功率的概念,最大传输功率和电路横截面积成正比,和工作频率成反比。1960年,时任RCA微波研究实验室主任一职的Leon Nergaard提出,将平均功率密度作为比较真空管不同代际器件性能增长的品质因数。四十年后,Victor L. Granatstein、Robert K. Parker和Carter M. Armstrong在1999年5月的IEEE会议论文中估计功率密度已经达到兆瓦和千兆赫乘积的数量级。

这些研究人员展示了真空管的数次连续创新浪潮:早期真空管的功率密度很快被磁控管的功率密度所超越,然后又被速调管的功率密度超过,最后,在二十世纪七十年代,它们又被回旋振荡器和自由电子激光器的功率密度革了命。每一代器件家族都遵循了正常的生长消亡曲线,即它们都在迁移到下一代产品之前达到了其物理极限。

从二十世纪三十年代中期到六十年代后期,网格形式真空管(三极管和更高极管)的最大功率密度增加了四个数量级。在同样一段时期内,腔体磁控管和交叉场放大器的功率密度提高了五个数量级。在1944年到1974年之间,速调管的最大功率密度增加了六个数量级。二十世纪六十年代到2000年之间,微波和自由电子激光器的最大功率密度指标也取得了同样的进步。

如果在半对数坐标图上绘制真空管器件的整个生长曲线序列,则可以发现,曲线的包络形成一条直线,大概每十年增加近1.5个数量级。我初次看到这张图表时,马上意识到真空管功率密度的上升速度非常接近于摩尔定律所指出的增长率,并且通过一个简单的计算证实了这个速度判断。在1935年到2000年之间,这条直线包络线的年复合平均上升幅度表明,真空电子管器件的最大功率密度的年度增长率正好几乎相当于35% - 基本上与1965年后半导体芯片上晶体管密度的年复合平均增长率相同。

需要指出的是,真空管和集成电路的增长包络线反映的是不同的品质因数。不过,值得注意的是,真空管在功率密度上的改进速度和集成电路在晶体管密度上的提升速度一样快,这种规律早在1965年戈登·摩尔以摩尔定律的形式针对集成电路定义下来之前就一直在发挥着作用了。

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