物理学在计算机中的应用.docx

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物理学在计算机中的应用

物理学在计算机中的应用

安阳工学院

《大学普通物理学》论文

普通物理学在计算机中的应用

学院：

计算机科学与信息工程学院

专业：

11级计算机科学与技术（嵌入方向）

学号：

201103010042

姓名：

吕鹏

指导老师：

李建新

完成时间：

公元壬辰年二零一二年五月八日

物理学在计算机中的应用

————吕鹏

概述：

物理学是研究宇宙间物质存在的基本形式、性质、运动和转化、内部结构等方面，从而认识这些结构的组成元素及其相互作用、运动和转化的基本规律的科学。

物理学（physics）一词来源于希腊语φυσικη,原意是自然哲学、自然学,内容包括宇宙万物,涉及物理、化学、天文、地理、生物等。

近代以来,这一术语逐渐演进,成为指研究自然界物质结构及其运动规律的学科术语。

物理学的各分支学科是按物质的不同存在形式和不同运动形式划分的。

人对自然界的认识来自于实践，随着实践的扩展和深入，物理学的内容也在不断扩展和深入。

同人类的其他任何知识领域一样，物理学也是人类社会实践的产物，它是随着人类社会实践的发展而产生、形成和发展的。

关键词：

物理学计算机应用

一、物理学在计算机硬件中的应用

1、物理学在计算机主板中的应用

主板，又叫主机板（mainboard）、系统板（systemboard）或母板（motherboard）；它安装在机箱内，是微机最基本的也是最重要的部件之一。

主板一般为矩形电路板，上面安装了组成计算机的主要电路系统，一般有BIOS芯片、I/O控制芯片、键盘和面板控制开关接口、指示灯插接件、扩充插槽、主板及插卡的直流电源供电接插件等元件。

主板采用了开放式结构。

主板上大都有6-15个扩展插槽，供PC机外围设备的控制卡（适配器）插接。

通过更换这些插卡，可以对微机的相应子系统进行局部升级，使厂家和用户在配置机型方面有更大的灵活性。

总之，主板在整个微机系统中扮演着举足轻重的角色。

可以说，主板的类型和档次决定着整个微机系统的类型ikerextreme主板和档次，主板的性能影主板（20张）响着整个微机系统的性能。

在电路板下面，是错落有致的电路布线；在上面，则为棱角分明的各个部件：

插槽、芯片、电阻、电容等。

当主机加电时，电流会在瞬间通过CPU、南北桥芯片、内存插槽、AGP插槽、PCI插槽、IDE接口以及主板边缘的串口、并口、PS/2接口等。

随后，主板会根据BIOS（基本输入输出系统）来识别硬件，并进入操作系统发挥出支撑系统平台工作的功能。

1.硬盘是微机系统中最常用、最重要的存储设备之一，由一个或者多个铝制或者玻璃制的碟片组成，这些碟片外覆盖有铁磁性材料。

它是故障机率较高的设备之一，而来自硬盘本身的故障一般都很小，主要是人为因素或使用者未根据硬盘特点采取切实可行的维护措施所致。

其中防震是最重要、最必需的：

硬盘是十分精密的存储设备，工作时磁头在盘片表面的浮动高度只有几微米。

不工作时，磁头与盘片是接触的；硬盘在进行读写操作时，一旦发生较大的震动，就可能造成磁头与数据区相撞击，导致盘片数据区损坏或划盘，甚至丢失硬盘内的文件信息。

因此在工作时或关机后，主轴电机尚未停机之前，严禁搬运电脑或移动硬盘，以免磁头与盘片产生撞击而擦伤盘片表面的磁层。

在硬盘的安装、拆卸过程中更要加倍小心，严禁摇晃、磕碰。

与此同时，一项非常重要的科研技术就此诞生——硬盘减震。

各大电子产品的厂商均极大限度的开发此项技术并充分利用在自己的产品中。

2、物理学在CPU中的应用

众所周知，现代的CPU是使用硅材料制成的。

硅是一种非金属元素，从化学的角度来看，由于它处于元素周期表中金属元素区与非金属元素区的交界处，所以具有半导体的性质，适合于制造各种微小的晶体管，是目前最适宜于制造现代大规模集成电路的材料之一。

从某种意义上说，沙滩上的沙子的主要成分也是硅（二氧化硅），而生产CPU所使用的硅材料，实际上就是从沙子里面提取出来的。

当然，CPU的制造过程中还要使用到一些其它的材料，这也就是为什么我们不会看到Intel或者AMD只是把成吨的沙子拉往他们的制造厂。

同时，制造CPU对硅材料的纯度要求极高，虽然来源于廉价的沙子，但是由于材料提纯工艺的复杂，我们还是无法将一百克高纯硅和一吨沙子的价格相提并论。

制造CPU的另一种基本材料是金属。

金属被用于制造CPU内部连接各个元件的电路。

铝是常用的金属材料之一，因为它廉价，而且性能不差。

而现今主流的CPU大都使用了铜来代替铝，因为铝的电迁移性太大，已经无法满足当前飞速发展的CPU制造工艺的需要。

所谓电迁移，是指金属的个别原子在特定条件下（例如高电压）从原有的地方迁出。

很显然，如果不断有原子从连接元件的金属微电路上迁出，电路很快就会变得千疮百孔，直到断路。

这也就是为什么超频者尝试对NorthwoodPentium4的电压进行大幅度提升时，这块悲命的CPU经常在“突发性Northwood死亡综合症（SuddenNorthwoodDeathSyndrome，SNDS）”中休克甚至牺牲的原因。

SNDS使得Intel第一次将铜互连（CopperInterconnect）技术应用到CPU的生产工艺中。

铜互连技术能够明显的减少电迁移现象，同时还能比铝工艺制造的电路更小，这也是在纳米级制造工艺中不可忽视的一个问题。

不仅仅如此，铜比铝的电阻还要小得多。

种种优势让铜互连工艺迅速取代了铝的位置，成为CPU制造的主流之选。

除了硅和一定的金属材料之外，还有很多复杂的化学材料也参加了CPU的制造工作。

在门电路制作中大量使用物理学。

门电路是CPU制造过程中最复杂的一个环节，这次使用到的是光微刻技术。

可以这么说，光微刻技术把对光的应用推向了极限。

CPU制造商将会把晶圆上覆盖的光敏抗蚀膜的特定区域曝光，并改变它们的化学性质。

而为了避免让不需要被曝光的区域也受到光的干扰，必须制作遮罩来遮蔽这些区域。

想必你已经在Photoshop之类的软件里面认识到了遮罩这个概念，在这里也大同小异。

在这里，即使使用波长很短的紫外光并使用很大的镜头，也就是说，进行最好的聚焦，遮罩的边缘依然会受到影响，可以简单的想象成边缘变模糊了。

请注意我们现在讨论的尺度，每一个遮罩都复杂到不可想象，如果要描述它，至少得用10GB的数据，而制造一块CPU，至少要用到20个这样的遮罩。

对于任意一个遮罩，请尝试想象一下北京市的地图，包括它的郊区；然后将它缩小到一块一平方厘米的小纸片上。

最后，别忘了把每块地图都连接起来，当然，我说的不是用一条线连连那么简单。

3、物理学在显卡中的应用

显示卡（videocard）是系统必备的装置，它负责将CPU送来的影像资料（data）处理成显示器（monitor）可以了解的格式，再送到显示屏（screen）上形成影像。

它是我们从电脑获取资讯最重要的管道。

因此显示卡及显示器是电脑最重要的部份之一。

我们在监视器上看到的图像是由很多个小点组成的，这些小点称为“像素”。

在最常用的分辨率设置下，屏幕显示一百多万个像素，电脑必须决定如何处理每个像素，以便生成图像。

为此，它需要一位“翻译”，负责从CPU获得二进制数据，然后将这些数据转换成人眼可以看到的图像。

除非电脑的主板内置了图形功能，否则这一转换是在显卡上进行的。

我们都知道，计算机是二进制的，也就是0和1，但是总不见的直接在显示器上输出0和1，所以就有了显卡，将这些0和1转换成图像显示出来。

制造工艺中大量采用物理学技术，制造工艺指得是在生产GPU过程中，要进行加工各种电路和电子元件，制造导线连接各个元器件。

通常其生产的精度以nm（纳米）来表示（1mm=1000000nm），精度越高，生产工艺越先进。

在同样的材料中可以制造更多的电子元件，连接线也越细，提高芯片的集成度，芯片的功耗也越小。

微电子技术的发展与进步，主要是靠工艺技术的不断改进，使得器件的特征尺寸不断缩小，从而集成度不断提高，功耗降低，器件性能得到提高。

芯片制造工艺在1995年以后，从0.59微米、0.35。

4.物理学在集成电路中的应用

集成电路（integratedcircuit）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、二极管、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、低功耗和高可靠性方面迈进了一大步。

它在电路中用字母“IC”表示。

集成电路发明者为杰克·基尔比（基于硅的集成电路）和罗伯特·诺伊思（基于锗的集成电路）。

当今半导体工业大多数应用的是基于硅的集成电路。

集成电路具有体积小，重量轻，引出线和焊接点少，寿命长，可靠性高，性能好等优点，同时成本低，便于大规模生产。

它不仅在工、民用电子设备如收录机、电视机、计算机等方面得到广泛的应用，同时在军事、通讯、遥控等方面也得到广泛的应用。

用集成电路来装配电子设备，其装配密度比晶体管可提高几十倍至几千倍，设备的稳定工作时间也可大大提高。

二、量子力学在计算机中的应用

量子计算机（quantumcomputer）是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。

当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。

量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究。

研究可逆计算机的目的是为了解决计算机中的能耗问题。

20世纪60年代至70年代，人们发现能耗会导致计算机中的芯片发热，极大地影响了芯片的集成度，从而限制了计算机的运行速度。

研究发现，能耗来源于计算过程中的不可逆操作。

那么，是否计算过程必须要用不可逆操作才能完成呢？

问题的答案是：

所有经典计算机都可以找到一种对应的可逆计算机，而且不影响运算能力。

既然计算机中的每一步操作都可以改造为可逆操作，那么在量子力学中，它就可以用一个幺正变换来表示。

早期量子计算机，实际上是用量子力学语言描述的经典计算机，并没有用到量子力学的本质特性，如量子态的叠加性和相干性。

在经典计算机中，基本信息单位为比特，运算对象是各种比特序列。

与此类似，在量子计算机中，基本信息单位是量子比特，运算对象是量子比特序列。

所不同的是，量子比特序列不但可以处于各种正交态的叠加态上，而且还可以处于纠缠态上。

这些特殊的量子态，不仅提供了量子并行计算的可能，而且还将带来许多奇妙的性质。

与经典计算机不同，量子计算机可以做任意的幺正变换，在得到输出态后，进行测量得出计算结果。

因此，量子计算对经典计算作了极大的扩充，在数学形式上，经典计算可看作是一类特殊的量子计算。

量子计算机对每一个叠加分量进行变换，所有这些变换同时完成，并按一定的概率幅叠加起来，给出结果，这种计算称作量子并行计算。

除了进行并行计算外，量子计算机的另一重要用途是模拟量子系统，这项工作是经典计算机无法胜任的。

由此可见，量子计算对经典计算作了极大的扩充，经典计算是一类特殊的量子计算。

量子计算最本质的特征为量子叠加性和量子相干性。

量子计算机对每一个叠加分量实现的变换相当于一种经典计算，所有这些经典计算同时完成，并按一定的概率振幅叠加起来，给出量子计算机的输出结果。

这种计算称为量子并行计算。

　　无论是量子并行计算还是量子模拟计算，本质上都是利用了量子相干性。

遗憾的是，在实际系统中量子相干性很难保持。

在量子计算机中，量子比特不是一个孤立的系统，它会与外部环境发生相互作用，导致量子相干性的衰减，即消相干（也称“退相干”）。

因此，要使量子计算成为现承载16个量子位的硅芯片。

一个核心问题就是克服消相干。

而量子编码是迄今发现的克服消相干最有效的方法。

主要的几种量子编码方案是：

量子纠错码、量子避错码和量子防错码。

量子纠错码是经典纠错码的类比，是目前研究的最多的一类编码，其优点为适用范围广，缺点是效率不高。

三、光学在计算机的应用

集成光学是研究媒质薄膜中的光学现象以及光学元件集成化的一门学科。

它是在激光技术发展过程中，由于光通信、光学信息处理等的需要，而逐步形成和发展起来的。

成光学是研究媒质薄膜中的光学现象以及光学元件集成化的一门学科。

它是在激光技术发展过程中，由集成光学书籍于光通信、光学信息处理等的需要，而逐步形成和发展起来的。

集成光学的应用领域是多方面的，除了光纤通信、光纤传感器、光学信息处理和光计算机外，导波光学原理、薄膜光波导器件和回路，还在向其他领域，如材料科学研究、光学仪器、光谱研究等方面渗透。

集成光学的应用，以固体化、小型化、集成化为目标的光信息传输和处理系统其应用的领域是多方面的。

除光纤通信、光纤传感器、光学信息处理和光计算机外，导波光学原理、薄膜光波导器件和回路，还在向其他领域（如材料科学研究、光学仪器、光谱研究等）渗透。

数据在互联网上移动就好像汽车在公路上行驶。

假如汽车不必转换方向，直奔目的地，那么速度会非常快。

但是，假如汽车不得不在十字路口转换方向，那么它的速度就要慢得多。

同样地，这种情况也会发生在信息高速公路上。

光束载着数据通过光纤以极快的速度传播，当数据到达一个服务器时，服务器会改变数据的传送方向，使它们到达最终的目的地。

人们还必须要把光信号转化为电流，这些过程使一切都慢了下来。

　　电子在电路中以每秒钟几千公里的速度传递，而光在光纤中的传播速度则将近每秒钟30万公里。

“集成光学系统”将可以使数据以光的形式传播，而且不必通过服务器转换，而是通过芯片的惟一信道直达目的地。

科学家们为大家描述的这种“集成光学系统”其实是指安装了特殊芯片的集成电路板。

这种芯片中安装的不是微型电子线路，而是微型光学线路。

技术上还存在困难。

“集成光学系统”还只是个科学上的构想，离当前流行的集成电路技术还非常地遥远。

但也正是因为如此，欧洲航天局才筹资开始了以下这两项研究。

奥斯迪尔姆被要求研究传统的光学通道，而阿尔卡特尔正在调查一项“集成光学系统”方案。

欧洲航天局雄心勃勃的达尔文计划也将使用“集成光学系统”，不过它所涉及的光的波长要比鬼怪计划的中涉及的光波要长。

这是“集成光学系统”还未曾涉及的领域。

“集成光学系统”这项成果的意义远不是人们可以更好地寻找行星。

在地球上，对于每一个家庭电脑的用户来说，这项成果都具有非同寻常的意义。

互联网的速度将会快10万倍，以这样的速度在网上冲浪将会是多么震撼。

参考文献：

【1】龙桂鲁肖丽《核磁共振量子计算机与并行量子计算》中国科学院理论研究所2003-4-29

【2】李宁张国春《计算机导论》清华大学出版社2009-8-11

【3】罗克露俸志刚《计算机组成原理》电子工业出版社2010-02

【4】XX百科《CPU》

【5】袁方王亮《清华大学学报》清华大学出版社2012-09

【6】王磊贾昊《复旦大学学报》人民出版社2011-06

【7】张大中.计算机在实验教学中的应用探讨.实验室研究与探索,2004,23（9）:

9-12.

【8】姜振寰．关于物理学史的分期．哈尔滨工业大学学报，2006年1月