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CPU是怎样制成的 (1)
肖秋涛　2000-12-26 17:13:13

　　我们常会接触到许多不同的IT媒体，电视、广播、杂志、报纸还有网络，我们也看到各种各样的Guide（指南）或HowWorks（工作原理），这之间却有太多雷同，降低了可读性。因此，作为编者，我也总是想法设法写出点与众不同的东西，OK，承认了吧，本文编译而成，原文来自Tweak3D.com——CPU是怎样制成的，希望不会让读者朋友失望。

　　计算机中的每个部件上都含有各种不同的IC（integrated circuit，集成电路）芯片。而每个芯片都是以相同的设计原理制成的。这些芯片的内部都有一个由成千上万（实际数量远不止这些）个晶体管组成的硅die（核心）。

　　晶体管

　　什么是晶体管？晶体管就是微型的电子开关。它们是构建一栋微处理（计算机的大脑）大厦的基石。你可以把一个晶体管想象成一个电灯开关。它们有个操作位，ON（开）和OFF（关）。这一开一关（晶体管的二进位功能）使一台计算机有处理信息的能力。这就是为什么二进位数字基于1（ON）和0（OFF）。

　　图1

　　看完上面的例子，你也许会认为晶体管的原理很简单。但它们的发展却需要多年的辛苦研究。在晶体管之前，计算机依靠速度缓慢、低效率的真空电子管和机械开关来处理信息。1958年，工程师们（其中一位是Intel公司的创始人之一Robert Noyce）设法将两个晶体管放置到一个硅晶体中，这样便创作出第一个集成电路，后来才有了微处理器。

　　计算机能理解的唯一语言是通过ON和OFF切换的电子信号。在弄懂晶体管之前，我们有必要先设法理解一个开关集成电路的工作原理。

　　开关集成电路有几部分组成。其中之一是电子流动要经过的电路——通常通过电线。此外还有开关，在电子流动过程中开启或关闭，实现完成或阻断电路。如果你切断电线，电子将停止流动，如果你再将其接合，电子又会继续流动。这时候，从本质看，你充当了一个晶体管。

　　晶体管没有移动部分，开与关只由电子信号控制。晶体管ON/OFF的切换促进微处理器完成工作。某些只具有两种状态（开或关）的东西如晶体管，可被认为是二进位设备。晶体管的ON状态用1来表示而OFF状态则用0来表示。多个晶体管产生的多个1与0的特殊次序和模式能产生字母、数字、颜色和图形。这就是人所共知的二进位符号。

　　图2

　　举个例子，在十进位中的1在二进位模式时也是1。2在二进位模式时将是10。3将是11。4将是100。5将是101。6将是110。7将是111。依此类推。这里是二进位写成的“Tweak3D”：

　　T 0101 0100
　　W 0101 0111
　　E 0100 0101
　　A 0100 0001
　　K 0100 1011
　　3 0000 0011
　　D 0100 0100

　　这个例子中的字母是用ASCⅡ码表示的。比如，“T”用ASCⅡ码表示相当于二进位表示的01010100，或十进位表示的84。很有趣吧？如果原文用最基本的进位数字或ASCⅡ码写成？言归正传，一个处理器中的一个晶体管工作有多严密呢？让我们来看看。

　　晶体管工作

　　在一个晶体管的硅部分中加入特定种类的混杂物或其它原料，改变它的晶体结构使之导电。含有硼的硅被称为p种硅——p代表阳极或表示没有电子。含有磷的硅被称为n种硅——n代表阴极或表示含有电子。

　　图3/图4

　　晶体管包含3个端（极）——source（源）、gate（栅极）和drain（漏极）。n种晶体管，源和栅极都呈阴性并位于呈阳性的p种晶体管上。当对删极加正电压，p种硅中的电子被吸引到栅极下方区域，在源和漏极之间形成一个电子通道。当正电压施加到漏极上，电子被推动从源向漏极运动。这时，晶体管处于ON的状态，并产生电子流动。如果在栅极的电压被解除，电子不再会被吸引到源和漏极之间，电路被中断，晶体管处于OFF（关闭）状态。

　　现在，你已经明白晶体管是如何工作的吧？接下来我们做更深入的讲解。

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