几十亿的晶体管——CPU是如何设计出来的

这件家用电器，使用过吗？

晶体管收音机

学名：晶体管收音机，又名半导体收音机，简称半导体，又名戏匣子。现在很多公园下棋的大爷手里拿着，发出很大声响的，也是收音机，不过功能和个头都小了很多。 不要小看这个老物件，这是1956年--1985年之间中国的奢侈品，被称为三转一响--手表、自行车、缝纫机和收音机里的一响，想结婚，这四大件先攒齐了。

晶体管于1947年诞生于美国贝尔实验室（Bell Labs），由肖克利（Shockley,William Bradford，1910-1989）、巴丁（John Bardeen，1908年5月23日－1991年1月30日）和出生于厦门的布拉顿（Walter H.Brattain）组成的研究小组研发。

Shockley/Bardeen/Bardeen合影

布拉顿早在1929年就开始在贝尔实验室工作，长期从事半导体的研究，积累了丰富的经验。他们经过一系列的实验和观察，逐步认识到半导体中电流放大效应产生的原因。 布拉顿发现，在锗片的底面接上电极，在另一面插上细针并通上电流，然后让另一根细针尽量靠近它，并通上微弱的电流，这样就会使原来的电流产生很大的变化。微弱电流少量的变化，会对另外的电流产生很大的影响，这就是“放大”作用。靠着这个发现，研究小组决定集中研究硅、锗等半导体材料，探讨用半导体材料制作放大器件的可能性。

锗片

1947年的圣诞节前夕，在巴丁固体表面态的理论引导下，布拉顿和巴丁通过实验，只要将两根金属丝的接触点尽可能地靠近，就可能引起半导体放大电流的效果。但是，需要将晶体表面形成小于0.4毫米的触点。 布拉顿用刀片在三角形金箔上划了一道细痕，将顶角一分为二，分别接上导线，随后将导线压进锗晶体表面的选定部位。

见证奇迹的时刻终于到来了，电流表清晰地显示“电压增益100dB，功率增益40dB”，意思是将输入的电压放大了100分贝，功率增加了40分贝，在为这种器件命名时，布拉顿想到它的电阻变换特性，即它是靠一种从“低电阻输入”到“高电阻输出”的转移电流来工作的，于是取名transresistor(转换电阻)，后来缩写为transistor，中文译名就是晶体管。

由于点接触型晶体管制造工艺复杂，存在噪声大、大功率时难以控制、适用范围窄等缺点，肖克利提出了用一种“整流结”来代替金属半导体接点的大胆设想。半导体研究小组又提出了这种半导体器件的工作原理，1950年，第一只“PN结型晶体管”问世了，它的性能与肖克莱原来设想的完全一致。今天的晶体管，大部分仍是这种PN结型晶体管。

PN结型晶体管

晶体管具有检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制等多种功能。可作为一种可变电流开关，能够基于输入电压控制输出电流，与普通机械开关不同，晶体管利用电信号来控制自身的开合，所以开关速度可以非常快，实验室中的切换速度可达100GHz以上。

有了晶体管的加持，计算机可以变得更小、更快、更节能、生产成本更低等优点。1955年，贝尔实验室研制出世界上第一台全晶体管计算机TRADIC，它装有800只晶体管，只有100瓦功率。

TRADIC

通过模拟二极管的开关动作，来实现控制晶体管的电路的断合。由于晶体管的开关切换速度可以达到几十万次每秒，在给晶体管编写程序的时候就不能用人工给出电路通断的指令，需要用比机器语言更高级的汇编语言对晶体管的开关定义，之后为满足更快的编程处理速度，开始使用更高级的Ada、 FORTRAN、 COBOL等高级程序设计语言，使计算机的工作效率大大提高。

晶体管时代的处理器，就在这些高级语言的组织下，狂奔！