晶体管不（只）等于收音机
我读电信专业的头一年，就在六门课程中挂科了两门—物理学和电子元器件。我没办法升入大二， 一度很消沉，甚至想要放弃自己的职业选择。最让我头疼的就是物理学中的半导体和电子学中的晶体管—当然，当时的我并不清楚它们在我的职业领域中会有多么重要。
你不觉得智能手机、电脑、游戏机这些电子产品很神奇吗？科幻小说作家阿瑟·C.克拉克也提到，一项足够先进的技术同魔法没有什么区别。如今，我们的技术已经非常先进，就像魔法一样，尽管它们并不是真正的魔法。
哲学家、社会家布鲁诺·拉图尔把这些科技进步形容成“黑匣子”，他认为虽然我们从中受益，但其中的奥秘太过复杂，我们难以理解。它们确实就像黑匣子一样，很多时候，我们并不在乎里面装的是什么，比如说，不会有很多人想要知道智能手机或电脑是如何运作的。不过，很明显，作为工程师，我必须要知道这些科技的原理，虽然你可能并不需要它，但我认为让每个人都知道一些技术发展的基本原理是有好处的。这能让我们的孩子或学生理解学习物理和数学的重要性，也能让我们理解黑匣子的内部构造，而不会认为这是神奇的法术或者外星人的杰作。毕竟，它们只不过是电路、电子和电流罢了。
在人类对技术的追求过程中，晶体管技术是改变世界的关键性发明。在生活中，老年人口中的晶体管往往指的是无线电晶体管，通常是那种便携式的无线电设备，可以用来听足球比赛或时事新闻。但是，我们也应该看到，晶体管也是电脑中的基本电子元件，并且随着科技革命的推动，晶体管的体积也在逐渐缩小，就像电影《不可思议的收缩人》或《蚁人》那样。
让我们从头开始探索。电脑是一种能够高速执行千百万次数学运算的计算机器。在西班牙语中，computadora和ordenaor两个单词都带有“电脑”的含义，而前者显然比后者更忠实地表达出它的计算功能。人类历史上最早出现的计算工具是算盘，早在2500年前的古巴比伦，人们就已经用算盘进行简单的算术计算了。
许多个世纪之后，机械计算器开始出现。例如：1642年，哲学家布莱斯·帕斯卡发明了计算机器；1837年，查尔斯·巴贝奇设计了更为先进的分析机—这台机器可以进行多种数学运算，并且可以用穿孔卡编程，这也是为什么他被认为是计算机科学的先驱之一。20世纪，数学家艾伦·图灵成功破译了二战期间纳粹用于交流的恩尼格玛密码，使战争提前了两年结束，从而挽救了成千上万人的生命。然而，图灵对计算机科学的发展所做的巨大贡献并不是物理机器，而是一种心理机器—图灵机。
图灵机并不是那种我们能在博物馆里摸到或者看到的实物，它更像一个代表了计算机的理论概念或假想装置，这帮助科学家理解了机械计算的极限。在概念上，它表现为能够按照一组规则进行连续操作的一条长纸带。这是计算机和算法的心理表征—算法这个词现在被用得很多，但不是每个人都知道怎么定义。准确地说，算法是一组有限的系统操作，通过这些操作可以得到一个结果。我们可以认为菜谱在某种程度上就是一个算法，能够将原料转换成做好的菜，而电脑就像厨师一样，他们首先需要特定的原料（输入），然后要进行某些操作（通常需要数百万次），最后便能给顾客提供烹饪好了的食物（输出）。
让我们继续讲下去。1946年，世界上第一台通用计算机—电子数值积分计算机（ENIAC）公布于世。这台机器最初是为美国陆军计算火炮的轨迹而设计的，此后，它被用来计算圆周率的小数位，或者进行与原子弹有关的计算。ENIAC体型庞大，占地面积167平方米，重达27吨，除了随处可见的电灯和电缆，还包含了6000多个开关—在20世纪50年代的科幻电影中，这些开关往往被用来代表电脑。如此浩大的阵势或许会让我们觉得这台机器的计算能力十分高超，而事实上，任何一部手掌大小的手机都比它要快上几千倍，比它产热更少—要知道，运转中的ENIAC能让房间温度升高至50摄氏度。尽管如此，它已经是一台可以被重新编程的计算机，能够快速执行不同的计算任务，而这些计算对人类的大脑来说过于烦琐、过于费力。ENIAC有着17500个类似于灯泡的真空管，不仅占用了大量空间，还十分容易熔化，必须要经常更换。这就有了晶体管的用武之地。
凡人亦英雄：ENIAC主要是由约翰·普雷斯帕·埃克特和约翰·威廉·莫奇利两位工程师构思设计的，但编写程序的却是六位女性科学家。我很抱歉，为了公平，我必须要占用篇幅写下她们的名字：贝蒂·斯奈德·霍尔伯顿、让·詹宁斯·巴蒂克、凯瑟琳·麦克纳尔蒂·莫奇利·安东内利、马林·韦斯科夫·梅尔泽、露丝·利特曼·泰特尔鲍姆和弗朗西斯·比拉斯·斯宾塞。
几年后，1951年，埃克特和莫奇利两人又设计出第一台商用电子计算机—通用自动计算机（UNIVAC）。这台计算机可要比它的上一代轻多了，重约7吨，并且能够每秒进行1000次计算。我来解释下“商用”的含义，在当时，每台UNIVAC的售价为100多万美元（换算到今天相当于600万到900万美元）。幸运的是，这两位工程师不仅天赋异禀，还十分无私，他们将UNIVAC捐赠给了哈佛大学和宾夕法尼亚大学。
不过，真空管到底有什么用？基本说来，它在计算逻辑中引入了真和假的概念，因为计算机使用二进制代码，只计算1和0。虽然现在计算机也用十六进制语言进行运算，但我们所知道的每一个数字都能被转换成二进制，这样我们就可以把它们表示成一系列的0和1。例如，从0到10的二进制数字是：
可以这样一直表示到无穷。
为什么这很有趣呢？因为这样计算机就不需要知道所有的数字，只需要知道两个就足够了。0和1可以很容易地描述物理世界，比如，当电路中没有电流时，处理器就会演示为0，而电流到达时，可以用1表示。这就是关键，这就是计算机的工作原理，它能够在解释电流的二进制代码中全速运行。
为此，人们使用了真空管（比如，当你在房间里关灯或开灯时）：这是一个很简单的系统，通过它能够控制电流的流动。有了这些电流，有了这些0和1，就可以进行更复杂的数学运算。这是一切的基础。
科学逸事：1835年，约瑟夫·亨利发明了继电器。继电器是一种电子控制软件，在这种电路中，一个或多个触点可以在一个电路中工作，而这个电路又允许打开或关闭(如断路器)其他独立的电路。继电器有几十种工业应用，你一定能在家里发现其中的一些，它们构成了配电盘上的所有开关，当家里停电时，你应该去找找这些开关。
据说，1947年时，海军少将格蕾丝·霍珀在哈佛大学马克二世电脑—历史上最早的可编程电脑之一—上发现了一个由继电器故障导致的错误。这个故障是由于一只飞蛾被意外困在了计算机内部的继电器上，导致计算机无法正常运转。她将飞蛾取了出来，并且将它粘在日记本里。好玩的是，从这以后，任何计算机程序隐错都被称为“bug”，而调试程序以识别和纠正编程错误的过程则被称为“debug”。霍珀不只是因为把当初那只虫子粘在自己的日记本上而出名，她还是耶鲁大学数学博士学位设立233年间的首位女性学生，也是编程语言FLOW-MATIC的开发者—编程语言COBOL的前身。这种语言能够使计算机间相互用英语对话，革命性地改变了当时的计算机领域。
随着晶体管的出现，科技发生了革命性的变化。晶体管比真空管和继电器都更小，也不那么容易发生故障。第二代电子计算机便是采用晶体管制造出来的。这种计算机是半导体物理的产物，而半导体物理又是量子物理的产物，是由巴丁、布拉顿和肖克利在1943年发明的。这一成就为他们赢得了1956年的诺贝尔物理学奖。
从那时起，技术的发展已经有些令人眼花缭乱了，因为越来越小的晶体管被制造出来，计算机也逐渐有了更广泛的用途。
晶体管是一种有发射极、基极和集电极这三极的半导体器件，也是我大学考试中最头痛的知识点。这种器件由二氧化硅（二氧化硅氧化物）制成，通过“窃取”其中的两个氧分子，可以将其精炼为地球上最纯净的材料之一—硅。当前的微处理器要求使用高纯度硅。在大学课堂上，要想解释清楚晶体管是如何运作的，以及应用在哪些方面，需要整整花费一学年的课时。简单说来，它就像一种障碍路径。这种电阻变换特性使科学家将它命名为“转换电阻”—transfer resistor，后来缩写为transistor，中文译名就是晶体管。
来自伦敦大学学院的安德里亚·塞拉曾向我解释过，基本上，晶体管是一个通过添加杂质来控制硅的行为的器件。通过打开、关闭晶体管，这些杂质会形成某些阻碍，从而让电子避开它们。经大量的测量和正确的安排，我们得以在晶体管中模拟所有与二进制语言相关的逻辑功能。这就是晶体管，人类历史上最重要的发明之一。
有些元素的行为像导体(1)或绝缘体(0)，这取决于一系列诸如电场、磁场、压力、影响它们的辐射，以及环境温度等因素。这些元素包括硅、锗、镓，甚至是硫。在所有这些材料中，被使用最多的是硅。人类几百年来一直使用它，如古代美索不达米亚制造的箭头，或者在我们的大教堂中用来锻造琉璃窗的玻璃。这并不是出于其硬度或电稳定性的考量，而是因为相较于其他元素而言，硅最容易获取：它几乎无处不在，约占地壳总质量的25％，此外，海滩上的沙子的主要成分就是含硅化合物。
科学逸事：这也是为什么在1971年时，人们会将世界上最强大的电子产业集聚区命名为“硅谷”。位于加利福尼亚旧金山附近的硅谷显然受到了嬉皮士文化的熏陶，大多数科技企业和创业公司都具备一种创造性资本主义的特质，十分无拘无束，同纽约等美国东部海岸城市中的刚性与严肃截然不同。这就是所谓的“谷歌精神”，也是Facebook创始人马克·扎克伯格常年不打领带、只穿运动鞋和运动衫的原因。如今，苹果的总部设在库比蒂诺，Facebook的总部设在门洛帕克，而谷歌的总部设在山景城，几乎所有你能想到的科技公司都在这里了。当你下次去海滩时，除了想着喝点莫吉托，也看看沙子吧！它不仅仅能建造城堡，其中所含的硅也正是世界经济的基础。
20世纪60年代，晶体管已经能够应用于集成电路内部，我们来到了所谓的“第三代”。当我在大学里学习电信专业时，我们曾戏称晶体管为“蟑螂”—瞧瞧，昆虫与计算机又一次携手并进了。有了晶体管，我们得以成功控制各种各样的电路,而这也是我在这个行业中最喜欢的事情。微观电路中所有的电子元件，比如电容器、电阻和晶体管都是由相同的材料制成的，这也使越来越多的电路能够在较小的空间中使用，同时它们的制造工艺也在不断优化。近几十年的科技发展历程便是这样：更小的尺寸、更低的成本、更强大的计算能力……
这种日益微型化的计算能力使我们能够发明可随身携带的平板电脑和笔记本电脑，它们甚至已经成为我们身体的一部分。
20世纪60年代，国际商业机器公司（IBM）创造出来IBM 7070，而在1968年，罗伯特·诺伊斯和戈登·E.摩尔共同创建了英特尔(Intel)，该公司目前仍在生产著名的奔腾处理器。其中，摩尔所提出的摩尔定律解释了晶体管技术的迅猛发展。英特尔一直致力于生产微芯片和集成电路，而集成电路是由德州仪器公司的杰克·基尔比发明的，他还因此在2000年获得了诺贝尔物理学奖。
2017年，英特尔公布了将于2020年前后问世的最新的晶体管。这种晶体管只有7纳米大小—想象一下吧，氦原子的直径是0.1纳米，而细胞内的核糖体就已经有20纳米大了。这已经接近物理学所允许的极限，即近似原子的大小（众所周知，我们不可能创造出比原子更小的东西）。在这种极小的尺寸上，芯片有可能会非常热，并出现量子效应，破坏原本的用途。也就是说，大自然本身将阻止摩尔定律和科技产品的持续小型化发展。那么，这个几十年来一直建立在持续创新基础上的行业将如何应对呢？这还有待观察，但除晶体管技术以外，其他领域的研究也已经在进行，因此进展不会放缓。
每当提起晶体管技术，我都会觉得它是如此奇妙，并且感慨人类竟已努力实现了这样伟大的成就，真是令人敬佩啊！尽管有人依旧坚信是外星人向我们提供了如晶体管一般的先进技术，但我更愿意相信，是我们自己的好奇心与科学探究精神，为人类送上了这份礼物。
现在，每当打开笔记本电脑或手机，又或者使用电视或车库的遥控器时，你也许不会再将它们看作魔法或者难以捉摸的黑匣子，而是明白，它是一种包含了数以百万计的数学运算以及能在极短时间内通过微弱电流的设备。