一支管子，改变了整个世界
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一支管子，改变了整个世界
原创 爱上半导体 2019-02-28 21:29:29
今天给大家介绍一个小物件-晶体管。
晶体管元年
1947年，中国·国共两党正打的热火朝天，也是在这一年，中共解放了第一座城市、大家猜猜是哪个城市第一个解放？而此时远在千里之外的美国·贝尔实验室诞生了世界上第一支晶体管。正是这个管子对后世产生了巨大的影响。
发明晶体管的这3位物理学家分别为肖克莱博士、巴丁博士和布菜顿博士。他们也因为晶体管的发明而获得1956年诺贝尔物理学奖！
什么是晶体管
晶体管这个词相信大家都有所耳闻，但晶体管具体是什么可能知道的就不多了。
晶体管一般指的是晶体三极管，三极管相比大家就比较“眼熟”了吧，它是一种半导体器件（锗和硅），其主要作用是开关和放大。在结构上，晶体管通常至少有三个端子用于连接外部电路。
开关
如上图所示，三极管的电流从C极流入、E极流出，B极是控制极，且C极流过的是大电流，而B极只需要很小的电流就能控制C极电流的通断。
比如说当B极没有电流时，C极也是没有电流的，如果我们给B极加上1ma的电流，那么C极就可以流过100ma的电流。这时候就能把小灯泡点亮。这就是晶体管的开关作用。
放大
在点亮小灯泡之后，我们继续让晶体管B极上的电流继续增大2ma，这时候晶体管C极上的电流会增大到200ma，在一定范围之内，B极和C极总是呈现一定的倍数关系，C极一直比B极的电流大100倍，这就是三极管放大的作用。
为了让不懂电子的爱好者也能理解，大家可以把三极管看做成一个水龙头，B（基极）是自来水的阀门，E(发射极)是出水口，C（集电极）是进水口。我们转动阀门的圈数可以控制水龙头的出水的大小，是不是像极了三极管。
晶体管的发展
看完以上对晶体管的简介之后，想必大家对晶体管有了功能上的认知了吧，但好像作用也就很一般，它可以点亮一盏灯、它还可以调节灯的亮度。但这只是一支三极管的作用，如果多了呢？
在C语言中int是整型数据，它可以被赋值0-65535之间的整数（为了简单，不考虑负数），这65536个数占用的二进制内存却只需要16位（2个字节），也就是16位0和1通过不同的排列组合，总共有65536种情况。而如果是32位0和1排列组合的话，就能表示40多亿个整数。
32个不同的0和1排列组合就可以表示如此多的整数，而0和1可以通过晶体管的开合关来表示，那么32个晶体管这样排列组合呢？这32个晶体管通过控制小灯泡的亮灭也可以表示数据，我们通关观察小灯泡的亮灭的情况也可以知道要表达的数据，不是吗？
这么看来，通关改变晶体管的开关状态，可以代表如此多的数据，那倒是可以用多个晶体管来实现这个原理，但是问题又来了，当时晶体管的体积是很“庞大”的，而且在一定体积的电路板上所能放置的晶体管的数量是有限的，最重要的是成本，一块电路板上放置如此多的晶体管简直是天方夜谭。
集成电路
看到这里有没有想到这么一种情况，把这32个晶体管封装在一个黑匣子里，它的32个控制引脚被引出来，这种设想是不是和和我们的芯片有异曲同工之妙？
因为这就是芯片最初的设想，最开始的时候，是把一个简单的电路封装到一个黑匣子里面，可能是8个电容、3个电阻、2个晶体管，把这个体积庞大的电路，封装到一个小黑匣子里，这个小黑匣子就是集成电路。
集成电路在电子显微镜下
因为它的内部就是实实在在的电路，只不过把电路集成到一块了，在我们看来他就是一个电子元器件，这也是芯片的雏形。
基尔比-把晶体管装进芯片
1958年7月，基尔比被美国德州仪器公司录用，在德州仪器，基尔比记录了他对集成电路的最初想法，并于1958年9月12日成功演示了第一个工作的集成电路。此时的中国正在进行满富理想的大跃进活动，试图在短时间内进行生产力质的提升。
基尔比在1958年发明了集成电路，然获得诺贝尔物理学奖的时间却是在42年之后的2000年。来德州仪器不到一年、却做出了如此不可估量的成绩，招聘这种大才有时候也许只能靠运气吧。
费德里科·费金-制造出第一颗CPU
如果说基尔比是第一个发明集成电路的物理学家，那么真正将集成电路推向高潮的当属意大利物理学家费德里科·费金。世界上第一颗CPU就是出自此人之手，即Intel的4004芯片，如下图所示
费德里科·费金1970年加入英特尔公司，开发了第一台单片机中央处理器(CPU)——英特尔4004。
在加入英特尔之前，费德里科·费金就有了构建这样芯片的构想，4004是由Busicom的Masatoshi Shima和Intel的Ted Hoff在1969年设计的，但是费德里科·费金在1970年改进的设计使它成为现实，使之1971年正式投入商用。
即使在今天英特尔的官网还保留着4004有关的信息，为了纪念费德里科·费金、也为了纪念全世界第一块商用的CPU。有兴趣的可以去英特尔官网看看与之有关的信息。
4004有16只针脚，在其内部封装了2300个晶体管，10微米的制程，每秒可以运算9万次，成本低于100美元。而实现相同的运算速度早期的ENIAC却需要占用一个房间的体积，因为内部采用的是真空管，每一个真空管占用的体积都要比4004的体积要大。
可见晶体管的发明是颠覆性的。
全球第一个使用4004芯片的商业产品是Busicom计算器141-PF。Dave Nutting Associates在1974年为Bally生产的弹球游戏的原型所采用的芯片也是4004芯片。
141-PE
黄金发展时期
1831年，法拉第发现电磁感应现象，确定了电磁感应的基本定律~
但是当时，一位妇女讥笑他的研究，说：
“您的发明有什么用呢？”
而法拉第反问她：“夫人，您新生的婴儿又有什么用呢？？”
后来的事情，大家都知道的吧？1866年德国工程师西门子，根据法拉第的研究成果发明了可以实际使用的发电机~
就如同法拉利的电磁感应一样，晶体管的发明在当时并没有产生多么大的影响，但在今后的几十年间，对世界产生的影响确是翻天覆地的。
1971年,英特尔4004芯片有2300个晶体管。但到了本世纪的2010年,英特尔处理器内部集成了5.6亿个晶体管。这也基本上符合摩尔定律：集成电路上可容纳的元器件的数量每隔 18 至 24 个月就会增加一倍，性能也将提升一倍。
受集成电路的影响，苹果公司采用6502集成电路开发出世界上第一台商用电脑Apple II，电脑不再是电子迷的专属，因为小巧的外壳、简单的操作，Apple II开始走进千家万户，即使是平民百姓。Apple II也是美国教育系统采用的标准计算机，据说现在美国的某些机房仍可以见到Apple II。
Apple II
再往后，苹果的道路越走越顺，虽然其中遇到过许多曲折，但最终回到了全球市值第一的宝座，在笔者看来，要想了解近几十年的电子史，了解苹果公司的发展史就能让你知道一多半。
第一台商用电脑是苹果发布的，包括图形界面，后来苹果的追随者不计其数，微软是追随最成功的一个，曾一度成为市值最高公司。
如果说苹果电脑的发布成就了微软，因为微软的操作系统占据了80%以上的市场份额，那么还可以说苹果手机iPhone的发布成就了谷歌，在iPhone发布之后，谷歌便马不停蹄的发布了一个仿制的安卓系统，最终安卓系统占有了市场，iOS只有20%左右的市场份额。
抄袭好了也能占据一席之地，你去看全球股票的排行榜，更多的情况是苹果、微软和谷歌占据着榜首。
即使是这些公司全球市值最高公司的载体全都建立在电脑、手机之上，而这些电子设备的大脑是芯片，构成芯片的独立单元是晶体管。可以这么说，是晶体管的发明，才有了我们现在丰富多彩的生活。
在半导体晶体管与集成电路黄金发展的几十年里，中国几乎没有对这方面做出任何贡献，由于中国当时落后的经济，那个时期的我们国家正在进行轰轰烈烈的的生产力的转化，无暇顾及这些，导致我国时有缺“芯”的尴尬场面也在情理之中。
由于晶体管的发明，造就了芯片（IC），在芯片时代我们无所不能，能想到的几乎都能被芯片与算法相结合创造出来，甚至打败人类，阿尔法狗便是做好的证明！收音机、录音机、MP3、手机和电脑这些我们所使用的通电设备，无一不在使用芯片。
所以说，一支管子、改变了整个世界，一点都不为过！
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