5分钟小科普 | 小小开关，改变世界

摘要：在“5分钟小科普”栏目中，小编将为大家呈现一系列基础但至关重要的知识点，这些内容与我们的数字生活息息相关。让我们从计算机技术的核心元件——晶体管开始探索，这可是历史上生产数量最多的电子元件之一。

新年将至，新的系列。

在“5分钟小科普”栏目中，小编将为大家呈现一系列基础但至关重要的知识点，这些内容与我们的数字生活息息相关。让我们从计算机技术的核心元件——晶体管开始探索，这可是历史上生产数量最多的电子元件之一。

每天陪伴人们工作和生活的各种电子产品，从智能手机、到笔记本电脑，再到智能机器人，各种电子产品都离不开晶体管这一核心技术。晶体管，这些微型的电子开关，是计算机芯片运作的基石，而芯片本身，是由无数这样的微型晶体管精心编织而成的复杂网络。

晶体管之小，和它带来的数字化变革之大，形成了极为鲜明的对比。让我们来看一些细节：

二进制和真空管

20世纪计算机科学的先驱们探索了一系列用于计算和存储数据的器件和设计方案，最终选择了二进制系统和真空管（vacuum tube）的组合。二进制能够将信息编码成由1和0组成的字符串，也就是“开”或“关”，1或0被称作二进制数字，又名比特（bit）。真空管是早期电子设备中的重要组件，被作为电子开关。在加热器通电时，热量会使得电子从阳极流向阴极。

比特和二进制算法让硬件变得简单且可靠，同时也让计算机的制造者和程序员们能够处理更复杂的问题。比特在未来的数据传输中也被证明是有用的，进一步巩固了这个恰到好处的解决方案。

第一台可编程、电子、通用的数字计算机是ENIAC（电子数值积分计算机），它于1945年被组装完成，由1.8万个真空管组成。不过，真空管耗电量相当大，容易发热，而且经常损坏。ENIAC上的真空管总会出现故障，该系统大约有一半的时间处于停机状态。

这是不可接受的。因此，人们开始探索更好的解决方案。

从晶体管到硅芯片

经过多年的研究，1947年，贝尔实验室（Bell Labs）率先展示了晶体管，并在接下来的十年中得到了巨大的改进。

晶体管避免了真空管的那些弊端，其体积小、重量轻、寿命长，是一种功耗低且易于制造的元件。

到了20世纪60年代中期，另一个恰到好处的组合出现了：

● 平面制造工艺允许在硅这一天然的半导体材料上高效构建电路。光刻（Photolithography）是平面制造工艺中的一个关键步骤。在晶圆表面曝光所形成的图案被用于反复添加、去除或注入材料，以构建一排排的晶体管。

● MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）是通过受控氧化（将材料添加到特定区域）的方式在硅上被制造出来。这个过程允许精确控制晶体管的尺寸和特性，是现代半导体制造技术中的基础。

晶体管是如何工作的？

MOSFET是目前电子制造中重要的晶体管技术。每个MOSFET晶体管都由源极（source）和漏极（drain）构成，在晶体管处于“开启”状态时，电流从源极流入，从漏极流出。源极和漏极之间的区域被称作沟道（channel），由其顶部的栅极（gate）控制。当栅极处于关闭状态时，电流无法从源极流向漏极。

当向MOSFET晶体管的栅极施加电压时，会在沟道中吸引相应的电荷，从而开启晶体管。这使得源极和漏极之间的路径被打通，允许电流流过。MOSFET中的“场效应”指的是电场对沟道内电荷分布和运动的影响，正是这种电场作用驱动了晶体管中的电流流动。

人们可以制造出带负电荷或正电荷的晶体管，分别是NMOS（N型金属氧化物半导体场效应晶体管）和PMOS晶体管（P型金属氧化物半导体场效应晶体管），将它们组合在一起就有了CMOS（互补金属氧化物半导体）晶体管。使用这些晶体管，人们就能够进一步造出可以进行计算的电路，不管是简单的加减乘除，还是模拟宇宙大爆炸的复杂数学建模。

晶体管们如何协同工作？

当然，“独木不成林”，要让晶体管能够进行复杂的计算，首先要让它们一起工作。为此，需要将晶体管以特定的方式组合起来，构建逻辑门（logic gate），执行基本的逻辑功能。然后，人们可以将这些逻辑门再组合起来，构建出更复杂的电路，完成更复杂的计算任务。

从单个晶体管到数十亿个晶体管相互连接而成的处理器，其层级结构如下：

1. 逻辑门

基本逻辑门有三种：与门（AND gate）、或门（OR gate）和非门（NOT gate），它们是晶体管所能组成的最基本的逻辑单元。将这些基本逻辑门组合在一起，可以构成更复杂的逻辑门。

2. 电路

通过不同方式组合逻辑门，人们可以造出执行算术和逻辑运算的复杂电路。例如，一个加法器（adder）电路可以通过使用不超过30个晶体管的逻辑门组合来创建。

3. 处理器

处理器由排列在复杂电路之中的数百万乃至数十亿个晶体管构成。这些电路包含算术逻辑单元（ALU），存储数据的寄存器（register）以及管理处理器运行的控制单元（control unit）等组件。