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接上一篇 学习笔记（七）
十一、软件工程
为了写各种大型程序，程序员需要用到各种编程方法和工具，这些构成了“软件工程”学科。
1.面向对象编程
1.对象
大型程序一般有很多个函数，具有相关性的函数还可以继续向上抽象，打包成“对象”Object。比如汽车对象中可能包含了“启动引擎”这个函数，也包含了“熄火”这个函数。同时，汽车对象中还包含了“车身颜色”、“座椅数量”等变量。一个程序员负责写好对汽车对象的描述（代码），其它程序员就可以建立一个汽车对象，并且调用其中的功能，而不需要了解汽车对象内部的功能是如何实现的。对象中也可以包含对象，比如一个铅笔对象中可能包含有铅笔芯对象，而一个文具盒对象中可能包含有铅笔对象、钢笔对象等。将变量、函数打包抽象为对象，是按照事物的内在逻辑来进行的，而不是随意的。
2.面向对象
通过这样的将函数打包成对象的编程思想就是“面向对象编程”。程序员在调用对象中的某一个函数时，通常是通过“.”来由外而内层层写出对应的对象名、函数名等，直到找到最内层想要调用的那个函数或者变量。面向对象编程能够封装内部组件，隐藏复杂度。
面向对象编程，有利于将大型项目分成一个个小的单元，让不同程序员方便地协作完成一个大项目，每个人的代码都具有相对独立性。
3.程序编程接口API
有时一个程序员要调用其它程序员写好的对象中的函数，这时就需要“文档”来帮助理解这些代码的功能，以及定义好的“程序编程接口”，即API。API帮助不同程序员合作，不用管代码的具体实现细节，只需要知道这些功能怎么使用就可以了。
一个对象中，有些函数是提供给外部访问的，这些函数的权限就是Public，另外一些函数是只允许对象内部的函数进行调用的，这些函数的权限就是Private。这样做的目的是为了避免外部函数错误地使用内部函数而带来危险。
面向对象编程能够选择性地对外公开功能，做大型项目非常有用。常见的面向对象编程语言有C++、C#、Java、Python等。
2.软件开发工具
1.集成开发环境IDE
程序员可以在记事本或者其它文字编辑器中写代码，但是专业的软件可以提供更多功能，比如代码高亮（提高可读性）、拼写检查、编译工具、源代码管理等。因为这样的软件集成了开发所需要的一切，因此叫集成开发环境，即IDE。
2.调试
程序员会将大部分时间花在代码调试而不是写代码上。IDE可以提供代码调试功能，帮助程序员定位到出错的代码，并提供信息来帮助修改。
3.文档和注释
程序员的另一项重要工作是给代码写文档以及注释。文档一般放在一个“README”文件里，里边说明了这些程序的功能以及使用方法。也可以代码中写注释，使用注释标记就可以在编译的时候让编译器绕过这些注释文本。注释很重要，能帮助程序员自己理清思路、几个月后回来还能理解自己的代码，以及帮助其它程序员理解这些代码（而不是让其它程序员通读代码来理解功能）。
4.版本控制
如果是团队合作的大型项目，那么还需要一个负责“源代码管理”的软件，也叫“版本控制”。大型软件公司会将所有代码放到一个中心服务器上，即“代码仓库”。程序员可以从这个服务器上下载（check out）一段代码，然后修改、增加新功能、测试等，等到测试无误后再“提交”，更新代码仓库中的代码。
当这段代码被check out 并且重新提交了，这说明这段代码可能被改过了，那么其它程序员就不会再来改动这段代码，这避免了重复劳动。如果一些新改动的代码中出现了bug，导致整个软件出现了不稳定性，源代码管理软件可以跟踪所有变化（谁改了什么代码），并且能够使全部或者部分代码回滚到之前的某一个稳定版本。
5.质量控制
写好的代码需要测试，代码的测试可以统称为“质量保证测试”，即QA。通过测试模拟各种情景，尽可能找出所有存在的bug，以保证软件的稳定性。
6.Beta、Alpha版本
beta版本是指软件接近完成，公司有时会向公众发布beta版本，以便让公众帮助公司发现潜在的问题。Alpha版本，一般只是具有雏形，还有许多问题，经常只在公司内部测试。
十二、集成电路&摩尔定律
软件与硬件的发展是相辅相成的。
1.数字暴政
1949-1960年代，计算机都由独立部件（即“分立元件”）组成，然后再用线连接在一起。如果想要更好的性能，就要增加更多的部件，使用更多的线路，计算机变得更复杂，这个问题叫“数字暴政”。
1950年代中期，晶体管开始商业化，用在计算机里。晶体管比电子管更小更快更可靠，但依然是分立元件。晶体管标志着“计算2.0时代”的到来。但是它仍然没有解决数字暴政的问题，越来越复杂的计算机难以设计、难以生产。解决的方法就是，提升新一层抽象，隐藏复杂度。
2.集成电路IC
1958年Jack Killby 演示了一个电子部件，将电路的所有组件都集成在一起，简单说就是将多个组件打包在一起，变成一个新的独立组件。这就是集成电路（IC）。Killby使用锗元素来做集成电路，但是地球中锗元素稀少且不稳定。1959年 Robert Noyce 的仙童半导体使用硅元素来做半导体（硅元素是地壳中含量第二高的元素，且稳定可靠），这让集成电路成为现实。因此，Noyce被公认为现代集成电路之父，开创了电子时代，创造了硅谷（仙童公司所在地，之后许多半导体企业都出现在硅谷）。
3.印刷电路板
起初，一个IC（集成电路）只有几个晶体管，其中集成了一些更小的部件。但这样做仍然需要将这些小的IC连接组装成为计算机。后来工程师们发明了印刷电路板PCB，它通过蚀刻金属线的方式，将零件连接到一起。因此PCB可以大规模生产，无需焊接或者使用一大堆线路。通过PCB与IC的组合使用，工程师们可以大幅减少独立组件和电线，制造更小、更便宜、更可靠的计算机。
3.光刻技术
初级的IC只能集成很少的几个晶体管，为了实现更加复杂的设计，工程师们发展出了光刻技术。
光刻技术简单来说就是用光将复杂图案印到半导体材料上，它通过重复执行几个基础的步骤，来制造出复杂的电路。
① 初始，准备一片硅（像一片硅饼），这叫“晶圆”。硅是半导体，适合制作晶体管，因此可以将复杂的电路都集成到一片晶圆上。
② 在硅片顶部加一层氧化层。
③ 在氧化层顶部加一层光刻胶，这种化学物质在被光照射后会变得可溶。溶解之后的光刻胶可以被特定的化学试剂洗掉。光刻胶一般与光掩模配合使用。
④ 在光刻胶层顶部加一层光掩模。光掩模就像胶片一样，上边有要转移到晶圆上的图案。这些有图案的地方就能够透光。
⑤ 强光照射。光掩模上图案的地方，会透光，于是下一层的光刻胶会溶解。
⑥ 用特定化学试剂溶解的光刻胶之后，这些地方会暴露出氧化层。
⑦ 再用另一种化学物质（通常是一种酸）可以洗掉露出来的氧化层部分，进而蚀刻最下层的硅层。这就是在晶圆上刻下了所需要的图案（电路）。
⑧ 现在晶圆上还有一部分氧化层，这部分氧化层上面还有未溶解的光刻胶作为保护。这时再用一种特定的试剂洗掉这些未溶解的光刻胶。
⑨ 现在有一部分硅是暴露出来的，用“掺杂”（doping）这种化学过程来优化这部分硅的导电性。这一步通常用高温气体（比如磷）来做，渗透进暴露出的硅，从而改变其电学性质。
⑩ 回到②，重复光刻法的步骤，只是光掩模上的图案会有所不同，“掺杂”过程的感温气体也有所不同，蚀刻硅层的深度也有所不同。这样，可以在硅层上制造出晶体管。
①① 最后，在氧化层上做通道，这样可以用细小金属导线，连接不同的晶体管。这一步再次使用光刻胶和光掩模，蚀刻出小通道，接着用一种新的处理方法，“金属化”，在氧化层之上放一层薄薄的金属（比如铝或铜）。之后再次用光刻胶+光掩模，然后强光照射，然后溶解掉暴露的光刻胶、暴露的金属。
①② 这样，晶体管终于做好了，它有三根线连接着硅的三个不同区域，每个区域的掺杂方式不同（电气性质也就不同），这就是双极型晶体管。
这个1962年的真实专利，使得工程师们可以利用光刻技术，制造出晶体管、电阻、电容等各种电子元件，这些元件都集成在一片硅（晶圆）上，并且相互连接的电路也做好了。光刻法一次会做上百万个细节，光可以聚焦到非常小的区域，从而制作出非常精细的细节。一片晶圆可以做很多集成电路，整块晶圆都做好后，可以切割然后包进微型芯片。芯片（chip）的核心都是一小片IC。
4.摩尔定律
随着光刻技术发展，晶体管变小，密度变高。1965年，戈登·摩尔提出了集成电路的发展趋势：每两年左右，同样大小的空间内，晶体管的数量将翻倍。这就是摩尔定律。与此同时，芯片的价格也在急剧下降。晶体管越小，要移动的电荷量就越少，能更快速地切换状态，更省电；电路更紧凑，延迟就进一步降低，时钟速度提高。
1968年，Robert Noyce（仙童半导体公司的创始人）和戈登·摩尔联手成立了一家新公司，名称取自Integrated（集成）的int 以及Electronics（电子）的el，即Intel，这是如今最大的芯片制造商。微型处理器，使用的就是半导体集成电路制作的处理器。集成电路的出现，尤其是用来做微处理器，开启了“计算3.0”时代。
随着技术发展，光刻的分辨率从约一万纳米，发展到如今的7纳米。其它的电子器件（如内存、显卡、固态硬盘等）也在呈指数式发展。超大规模集成（VLSI）软件，用来自动生成芯片设计，有人认为这是“计算4.0”时代的开始。
5.技术瓶颈
但这样的发展可能最终会面临瓶颈，晶体管进一步做小会面临两个大问题。
① 因为光的波长有限，将光掩膜的图案刻到晶圆上的精度已达极限。因此科学家在研制波长更短的光源，以投射更小的形状。
② 当晶体管非常小，电极之间可能只距离几个原子，这时电子会跳过间隙，即发生“量子隧道贯穿”。这相当于是晶体管漏电，这样的元件是不可靠的。科学家在努力寻找解决方法。
总结
本篇内容：
1.软件工程
2.集成电路与摩尔定律