40年前：底特律的智能新车，如今搭载微处理器

本文刊载于《Discover》杂志2020年9/10月号，作为其40周年纪念报道的一部分。我们希望您能订阅《Discover》杂志，支持我们未来40年继续提供有价值的科学内容。

来自1980年10月刊

在美国本土汽车制造商因小型、节能的外国汽车的冲击而陷入困境之际，美国汽车行业将于今年秋季发起反击，依靠一项巧妙的美国发明：“芯片上的计算机”，也就是微处理器。通过大量植入微小的硅芯片，1981年的美国汽车将能提高燃油经济性，减少污染，并为车主提供丰富多样的便利、实用和有趣的装置，让驾驶更安全、更经济、更有趣。

统计数据清晰地表明了汽车行业对微处理器的依赖日益加深。克莱斯勒和福特都将芯片的使用量增加了四倍：克莱斯勒1980款车型使用20万颗芯片，而1981款车型将达到100万颗；福特则从30万颗增至150万颗。通用汽车的1981款车型将有约400万辆配备微处理器，高于1980年的40万辆。到1985年，一辆完全装备的美国汽车平均将使用15颗芯片，而1978年则不到1颗。福特电子部门副总裁Eugene Karrer表示：“电子产品与汽车的结合早已完成……蜜月期也已结束。”凯迪拉克首席工程师Robert Templin则更为激动；他称微处理器的应用是“汽车行业过去二十五年来最大的技术突破”。

事实上，通用汽车认为芯片对其未来至关重要，甚至已经开始自己生产芯片。通用汽车的德尔科电子部门现在生产自己的半导体晶圆，并将其用于每天生产2万颗微处理器。通用汽车总裁Elliot Estes幽默地表示：“通用汽车现在是世界上最大的计算机制造商。”

微处理器带来的许多创新对驾驶员来说显而易见。收音机可以在汽车行驶过程中自动搜索并锁定信号更强的电台；它们还可以记忆并根据指令切换到预设的八个最喜爱的电台。如果驾驶员将钥匙锁在车内，只需在驾驶员车门窗台上的十键面板上输入个人密码，即可通过“无钥匙进入系统”打开车门。

蓝绿色荧光显示屏会告知机油是否偏低、发动机是否过热、车厢内的温度以及剩余燃油还能行驶多远。它们还会显示平均油耗以及实时的瞬时油耗。一个“行程电脑”会计算并显示诸如到预设目的地还有多远以及预计到达时间等实用信息，从而能够立即回答“爸爸，我们快到了吗？”的问题。

在闪亮的金属面板下，是那些默默奉献的、精密昂贵的控制系统，它们改善了汽车的性能。分布在发动机各处的约半打传感器会向仪表板下方的微型计算机提供发动机转速、空气和水温、气压、油门角度等关键数据。掌握了这些信息后，电子大脑会查阅其存储器中的“查找表”。然后，它会指示安装在节气门体顶部的两个喷油器（在高端车型上已取代了化油器）喷射精确量的汽油。最后，芯片会指令火花塞在最有利的时刻点火。通过使燃油以最高效的速率燃烧，微处理器能够让铂铑催化剂将废气转化为无害的氮气、氧气和水，而不会降低燃油经济性。

制造商们正争先恐后地迎接芯片的到来。当克莱斯勒的“爆震控制系统”检测到爆震时，微处理器会急剧延迟点火正时，然后在爆震消失时逐渐恢复到正常。福特开发了一个系统，通过再循环并燃烧排气中的剩余汽油来达到最佳的燃油经济性。1981款凯迪拉克微处理器会监控发动机系统，并在出现电线松动或传感器故障时通知驾驶员。当汽车在巡航时不需要时，同一微芯片还会关闭多达四个发动机气缸的燃油供应，从而节省燃油。（微芯片非常可靠，但万一发生故障，机械备份仍能使汽车运行。）福特公司的David Hagen说：“这是美国仍然领先的一个领域。而且我们将继续保持领先。”

在美国，这很可能是真的。像丰田和日产（达特桑的制造商）等外国制造商仍在将其出口车型的微处理器限制在简单的发动机控制上。但在国内，他们的汽车提供了全系列的行程电脑、仪表板计算器、先进的燃油喷射系统，甚至是防抱死制动系统——这是美国制造商仍在试验的理念。大众汽车在其国内和出口车型中都采用了芯片调节的燃油喷射系统，其精密度足以无需再循环排气。

无论是在美国还是在国外，汽车工程师们都在寻求将芯片投入使用的新方法。变速箱控制、用于避免碰撞的雷达控制制动以及显示地图并就如何改进驾驶习惯提供建议的仪表板都正在研究之中。不久的将来，汽车可能会配备一个电子语音，当驾驶员超速时发出警告。届时可能为时已晚；一英里外的警车里的计算机已经开好了罚单。

2020年回顾：无处不在的微处理器

虽然40年前还属新奇事物，但如今很难想象一个没有“那些巧妙的微处理器”的世界。这些计算机芯片存在于你的手机、笔记本电脑，当然，还有你的汽车里——自20世纪70年代问世以来，它们的计算能力呈指数级增长。

想想如今常见的车辆功能：防抱死制动、倒车影像、电动助力转向，甚至是在你离开车辆时自动关闭大灯的传感器。所有这些系统都使用微处理器来执行其功能。即使你寻找市面上最简朴的车型，也会发现它仍然配备安全气囊，这是法律规定，并且使用微处理器来判断在事故中何时需要弹出。

每个芯片都足够小，可以放在手掌中，其中包含大量的晶体管：小小的触点，以电信号的形式传输数据。微处理器拥有的晶体管越多，它就能越快地移动数据，并越快地完成一项任务。

英特尔公司在20世纪70年代初创造了第一批微处理器，并在1978年推出了一个16位芯片，拥有29,000个晶体管。这听起来很多，但考虑到到2006年，一个64位的英特尔芯片拥有2.91亿个晶体管。而如今，我们几乎已经数不清了，因为每个芯片的晶体管数量现在都达到了数十亿。有一段时间，科学家们认为计算能力每两年就会翻倍，这是一种被称为摩尔定律的模式。

但工程师们在将更多晶体管塞进现代微处理器的空间上正面临瓶颈，这使得一些专家质疑摩尔定律未来是否还能维持——或者，由于新技术的发展，处理速度是否会更快地提升。

可以肯定的是，凯迪拉克公司Robert Templin在1980年的说法是正确的，即微处理器是汽车行业最伟大的技术突破之一。事实上，它们可能是整个世界最伟大的技术突破之一。——Jennifer Walter