幾十億的電晶體——CPU是怎麼設計出來的

2020-12-24 莫爾小組實習生

這件家用電器,使用過嗎?

電晶體收音機

學名:電晶體收音機,又名半導體收音機,簡稱半導體,又名戲匣子。現在很多公園下棋的大爺手裡拿著,發出很大聲響的,也是收音機,不過功能和個頭都小了很多。

不要小看這個老物件,這是1956年--1985年之間中國的奢侈品,被稱為三轉一響--手錶、自行車、縫紉機和收音機裡的一響,想結婚,這四大件先攢齊了。

電晶體於1947年誕生於美國貝爾實驗室(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)和出生於廈門的布拉頓(Walter H.Brattain)組成的研究小組研發。布拉頓早在1929年就開始在貝爾實驗室工作,長期從事半導體的研究,積累了豐富的經驗。他們經過一系列的實驗和觀察,逐步認識到半導體中電流放大效應產生的原因。

肖克利/巴丁/布拉頓

布拉頓發現,在鍺片的底面接上電極,在另一面插上細針並通上電流,然後讓另一根細針儘量靠近它,並通上微弱的電流,這樣就會使原來的電流產生很大的變化。

微弱電流少量的變化,會對另外的電流產生很大的影響,這就是「放大」作用。靠著這個發現,研究小組決定集中研究矽、鍺等半導體材料,探討用半導體材料製作放大器件的可能性。

鍺片

1947年的聖誕節前夕,在巴丁固體表面態的理論引導下,布拉頓和巴丁通過實驗,只要將兩根金屬絲的接觸點儘可能地靠近,就可能引起半導體放大電流的效果。但是,需要將晶體表面形成小於0.4毫米的觸點。 布拉頓用刀片在三角形金箔上劃了一道細痕,將頂角一分為二,分別接上導線,隨後將導線壓進鍺晶體表面的選定部位。

見證奇蹟的時刻終於到來了,電流表清晰地顯示「電壓增益100dB,功率增益40dB」,意思是將輸入的電壓放大了100分貝,功率增加了40分貝,在為這種器件命名時,布拉頓想到它的電阻變換特性,即它是靠一種從「低電阻輸入」到「高電阻輸出」的轉移電流來工作的,於是取名transresistor(轉換電阻),後來縮寫為transistor,中文譯名就是電晶體。

由於點接觸型電晶體製造工藝複雜,存在噪聲大、大功率時難以控制、適用範圍窄等缺點,肖克利提出了用一種「整流結」來代替金屬半導體接點的大膽設想。半導體研究小組又提出了這種半導體器件的工作原理,1950年,第一隻「PN結型電晶體」問世了,它的性能與肖克萊原來設想的完全一致。今天的電晶體,大部分仍是這種PN結型電晶體。

PN結型電晶體

電晶體具有檢波、整流、放大、開關、穩壓、信號調製等多種功能。可作為一種可變電流開關,能夠基於輸入電壓控制輸出電流,與普通機械開關不同,電晶體利用電信號來控制自身的開合,所以開關速度可以非常快,實驗室中的切換速度可達100GHz以上。

有了電晶體的加持,計算機可以變得更小、更快、更節能、生產成本更低等優點。1955年,貝爾實驗室研製出世界上第一臺全電晶體計算機TRADIC,它裝有800隻電晶體,只有100瓦功率。

TRADIC

通過模擬二極體的開關動作,來實現控制電晶體的電路的斷合。由於電晶體的開關切換速度可以達到幾十萬次每秒,在給電晶體編寫程序的時候就不能用人工給出電路通斷的指令,需要用比機器語言更高級的彙編語言對電晶體的開關定義,之後為滿足更快的編程處理速度,開始使用更高級的Ada、 FORTRAN、 COBOL等高級程序設計語言,使計算機的工作效率大大提高。

電晶體時代的處理器,就在這些高級語言的組織下,狂奔!

集成電路時代的計算機,處理器速度更快、集成度更高,電晶體數量更多,那是如何將更多的電晶體」嫁接「到集成電路上的呢?下篇繼續。

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  • CPU內部存在幾十億個電晶體,如果其中壞掉幾個會不會有什麼影響
    CPU一般是指中央管理器,也就是計算機系統的運算和控制核心,是對信息進行處理、程序運行的最終執行單位,而在一般情況下,CPU這種半導體晶片,都是有數億甚至說是數十億的電晶體所組合而成,那像怎麼多的電晶體數量
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