附加章七：晶体管
复习
- 逻辑门：逻辑门是搭建一切数字电路的基本单元
- 器件：逻辑门本身，还需要更底层的物理器件来实现
TL;DR
- 晶体管是用电信号控制电信号通断的开关
- 它是现代逻辑门与芯片的最小积木
- 不断缩小让同样面积能塞进更多晶体管
- 越密集就越难散热，也逐渐逼近物理极限
正文
我们从逻辑门讲起，一路搭出了 CPU。但有个问题一直没追问：逻辑门本身，是用什么做出来的？
答案是一块块微小的开关——晶体管（transistor）。
一个受控制的开关
晶体管最核心的本领，是用一个很小的电信号，去控制另一个电信号的通与断。可以把它想成一个水龙头：你用很小的力气转动把手，就能决定大水管的开与关；而在这个例子里，“把手”和“水流”都是电信号。
正是这个“小控大、电控电”的特性，让晶体管成为理想的开关：输入一个信号，就能决定输出是通还是断，对应到逻辑里，就是 0 和 1。
用开关搭出逻辑门
有了开关，逻辑门就水到渠成了。以最简单的非门为例：让晶体管的通断去决定输出端是高电平还是低电平，输入为 1 时输出为 0，输入为 0 时输出为 1，取反就实现了。
与门、或门、异或门，无非是多个晶体管按不同方式组合。从晶体管到逻辑门，再到加法器、ALU、CPU，就是不断用简单积木拼出复杂功能的过程。 这也是整部教程反复出现的主题：一切都由积累而来。
越小，越强，也越难
晶体管的意义，还在于它能被大规模集成：在指甲盖大小的芯片上，可以刻上数以亿计的晶体管。数量越多、越小、越密，芯片的算力就越强。
过去几十年，人们靠不断缩小晶体管，让芯片上的元件数量持续翻番，这就是所谓的摩尔定律。它一度像一条自然法则，推动着整个行业飞速前进。
但这条曲线正在放缓。原因很现实：晶体管小到一定程度，就会遇到发热、漏电、量子效应等一堆麻烦。越密集，单位面积产生的热量越多，而散热能力不会无限增长。 于是人们开始转向别处寻找性能——比如多核、并行、专用硬件。
这提醒我们：再精巧的抽象，最终都扎根在物理世界里。逻辑世界里可以有无穷的比特，物理世界里却要受材料、能量和散热的约束。
思考题
为什么“用很小的电信号控制较大的电流”这一特性，对造出计算机如此重要？
小结
知识点
- 晶体管是用电信号控制通断的开关
- 逻辑门由晶体管组合而成
- 集成度提升带来算力增长（摩尔定律）
- 微缩逼近物理极限，散热与漏电成为瓶颈
参考资料
- Wikipedia(zh)：晶体管：用信号控制电流通断的半导体器件
- Wikipedia(zh)：摩尔定律：集成电路上元件数量增长的经验规律
- Wikipedia(zh)：集成电路：把大量元件集成在一块芯片上
思考题答案（仅供参考）
因为它让“信号可以控制信号”，从而能一级一级地传递和组合状态。没有这一特性，就无法用简单的开关搭出逻辑门，更无法把它们串成加法器乃至整台计算机。同时它只需很小的能量就能控制，使得大规模集成成为可能。
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设计师 | 南国微雪