????????導(dǎo)語--我們知道，計(jì)算是人類的基本能力之一，也是科技、文明的基石之一，誰能算得快、算得準(zhǔn)，誰就占據(jù)了科技發(fā)展的高點(diǎn)。現(xiàn)代文明的計(jì)算早已與計(jì)算機(jī)的算力深度綁定，這也是為什么作為計(jì)算機(jī)基石的半導(dǎo)體、芯片成為美國對(duì)我們打壓限制的核心的原因，也是我們?yōu)榱税l(fā)展必須突破限制的原因。上篇文章我們自下而上討論了半導(dǎo)體的物理原理，本篇文章我們將換一個(gè)角度，自上而下從計(jì)算機(jī)開始往下層層拆解，找出文明算力基石半導(dǎo)體大廈的基礎(chǔ)是什么的答案。

????????我們從自上而下的角度去審視計(jì)算機(jī)就會(huì)發(fā)現(xiàn)，鼠標(biāo)、鍵盤、顯示屏等等這些外設(shè)設(shè)備都是計(jì)算機(jī)與外界進(jìn)行交互的輸入輸出功能有關(guān)，與算力的代表--計(jì)算和控制無關(guān)。決定算力的核心在計(jì)算機(jī)板塊上的CPU、GPU和存儲(chǔ)器等芯片，而這一顆顆小小的芯片，可算是人類迄今為止最高智慧結(jié)晶，沒有之一。我們繼續(xù)往下拆解，去參觀一下芯片內(nèi)部的結(jié)構(gòu)到底是什么樣的。將芯片放大直至放大到一億倍，我們就能去內(nèi)部一探究竟。

?

????????目前芯片的制程已經(jīng)達(dá)到了納米級(jí)別，芯片上的晶體管小到只有幾個(gè)原子或幾個(gè)分子大小，而晶體管之間的導(dǎo)線只有頭發(fā)絲的三千萬分之一。一顆指甲蓋大小的芯片內(nèi)部卻有如此紛雜繁復(fù)的結(jié)構(gòu)，猶如《阿房宮賦》所言：“五步一樓，十步一閣；廊腰縵回，檐牙高啄；各抱地勢，鉤心斗角。盤盤焉，囷囷焉，蜂房水渦，矗不知其幾千萬落！”，芯片可以算是地球上最復(fù)雜、最難建造的大廈了。在這個(gè)大廈中，樓閣就是各種晶體管、電容、電阻器件，道路就是作為電流通路的導(dǎo)線。那么在這么多道路和樓閣中哪一個(gè)是最為關(guān)鍵的基礎(chǔ)呢？

????????答案蘊(yùn)藏在我們所知的另一個(gè)常識(shí)中，即計(jì)算機(jī)只能“讀懂”0和1。0和1是最簡單的兩種狀態(tài)組合，實(shí)際上，任何種類的信息也都可以通過兩種不同狀態(tài)的組合來表示，摩爾斯密碼的“點(diǎn)、劃”也與布爾代數(shù)的“0、1”沒有本質(zhì)區(qū)別。那么計(jì)算機(jī)是怎么讀懂0和1并利用他們實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、快速的運(yùn)算呢？這就需要我們下沉到計(jì)算機(jī)的基本原理--布爾代數(shù)或稱邏輯代數(shù)。布爾代數(shù)，是英國數(shù)學(xué)家G.布爾為了研究思維規(guī)律（邏輯學(xué)、數(shù)理邏輯)于1847和1854年提出的數(shù)學(xué)模型。我們可以將它簡單理解為處理集合運(yùn)算交集、并集、補(bǔ)集；和邏輯運(yùn)算與、或、非（對(duì)應(yīng)的計(jì)算機(jī)有三種基本的邏輯門與門、或門、非門），比如說我們讀書時(shí)學(xué)的一真一假兩個(gè)元素的與、或、非的運(yùn)算結(jié)果就屬于布爾代數(shù)。

????????因此實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)最基本最原始的工作原理布爾代數(shù)甚至都和電無關(guān)，而是一種數(shù)學(xué)原理，實(shí)現(xiàn)了布爾邏輯，就完成了計(jì)算機(jī)的絕大部分基礎(chǔ)，任何可以改變狀態(tài)傳遞信息的技術(shù)都可以拿來實(shí)現(xiàn)布爾邏輯，也都可以作為實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的解決方案。事實(shí)上，科學(xué)家創(chuàng)造的第一臺(tái)計(jì)算機(jī)，就是使用真空二極管實(shí)現(xiàn)了邏輯門而非半導(dǎo)體技術(shù)，只不過這種計(jì)算機(jī)大且笨重（第一臺(tái)計(jì)算機(jī)ENIAC占地150平方米、重達(dá)30噸）。為了解決這個(gè)問題，依賴半導(dǎo)體技術(shù)的計(jì)算機(jī)才應(yīng)運(yùn)而生。

????????在這個(gè)方案中，邏輯門通過建立電壓表示單個(gè)“信息”，可能高電平（代表值“1”）或低電平（代表值“0”），這樣也就實(shí)現(xiàn)了二進(jìn)制。如今，邏輯門的計(jì)算能力已發(fā)展到壓倒性強(qiáng)大的地步。主要由于任何特定門的輸出都是電壓，該電壓又可以用來控制另一個(gè)門。因此可以通過在一個(gè)芯片中互連多達(dá)一百萬個(gè)邏輯門來創(chuàng)建復(fù)雜的系統(tǒng)，來對(duì)內(nèi)部的信息流做出復(fù)雜的決定，并且整個(gè)過程無需人為干預(yù)，也沒有任何機(jī)械等活動(dòng)部件。

我們繼續(xù)往下拆解，邏輯門是如何實(shí)現(xiàn)和構(gòu)成的呢？實(shí)際上，邏輯門有多種實(shí)現(xiàn)方式，包括二極管實(shí)現(xiàn)、開關(guān)實(shí)現(xiàn)、CMOS晶體管邏輯實(shí)現(xiàn)等，通過將多個(gè)或門級(jí)聯(lián)也可以實(shí)現(xiàn)多輸入的或門。當(dāng)下電子計(jì)算機(jī)芯片的邏輯門實(shí)現(xiàn)是采用的二極管、晶體管邏輯實(shí)現(xiàn)由。這一方式中，邏輯門由特定的晶體管排列組成，流經(jīng)柵極的電流會(huì)在電路的特定點(diǎn)建立電壓，電壓高低即為高電平、低電平，以此實(shí)現(xiàn)布爾邏輯。以下即為與門、或門、非門三種基礎(chǔ)邏輯門的一種晶體管實(shí)現(xiàn)方案。

?

????????至此，我們知道半導(dǎo)體大廈的基礎(chǔ)是二極管及晶體管，并已經(jīng)通過兩篇文章分別從自下而上和自上而下的角度去討論半導(dǎo)體及計(jì)算機(jī)的數(shù)學(xué)、物理原理及計(jì)算理論。下周我們將通過第三篇文章，實(shí)現(xiàn)自下而上和自下而上的會(huì)師，打通理解半導(dǎo)體基本原理的最后一環(huán)，我們下周再見！