晶体管是控制计算机、手机以及所有其他现代电子电路运行的基本构件，也是中央处理器（CPU）的基本单元。晶体管可以独立封装，也可以封装在很小的面积内。集成电路可以容纳1亿个甚至更多的晶体管。

捕获单个晶体管

目录

晶体管简介

晶体管是构成现代电子器件基础的半导体器件。它们通常分为两大类：双极结型晶体管 (BJT) 和场效应晶体管 (FET)。每种晶体管都有三个端子：对于 BJT，它们是发射极、基极和集电极；对于 FET，它们是源极、栅极和漏极 (Horowitz & Hill, 2015)。

晶体管泛指所有基于半导体材料的单个元器件，包括二极管、三极管、场效应晶体管、晶闸管等。晶体管有时也指三极管。晶体管主要分为两类：双极型晶体管（BJT）和场效应晶体管（FET）。晶体管有三个极；双极型晶体管的三个极由N型和P型发射极、基极和集电极组成；场效应晶体管的三个极是源极、栅极和漏极。

三极管

晶体管是调节计算机、手机和所有其他现代电子电路运行的基本构件。由于其响应速度快、精度高，晶体管可用于各种数字和模拟功能，包括放大、开关、电压调节、信号调制和振荡器。晶体管可以单独封装，也可以封装在非常小的面积内。

1947年12月，美国贝尔实验室的肖克利、巴丁、布拉顿组成的研究小组，研制出点接触型锗晶体管。晶体管的问世是20世纪的一项重大发明。晶体管出现后，人们可以用小型、低功耗的电子器件来代替体积庞大、耗电大的电子管。晶体管的发明为集成电路的诞生吹响了号角。20世纪前10年，半导体材料已开始应用于通信系统。20世纪上半叶，广受无线电爱好者欢迎的矿石收音机，就是用矿石作为半导体材料进行检波的。半导体的电学特性也开始应用于电话系统。

II 前几代 CPU 晶体管的数量

摩尔定律与英特尔微处理器密度

摩尔定律由英特尔创始人之一戈登·摩尔提出。在价格不变的情况下，每18-24个月，集成电路上可容纳的元件数量就会翻一番，性能也会翻一番。换句话说，每18-24个月，每美元能买到的计算机的性能就会提高一倍以上。这条定律揭示了信息技术进步的速度。尽管这一趋势已经持续了半个多世纪，但摩尔定律仍然应该被视为观察或推测，而不是物理或自然规律。

（1） 1999年2月：英特尔发布奔腾III处理器。奔腾III是一块1×1平方硅片，集成了950万个晶体管，采用英特尔0.25微米制程技术制造。

（2） 2000年，Pentium 4 Willamette，生产工艺为180nm，CPU晶体管数量为4200万个。

英特尔奔腾4

（3） 2002年1月，英特尔奔腾4处理器发布，高性能台式电脑的运算速度可达到每秒22亿次。它采用英特尔0.13微米制程工艺生产，内含5500万个晶体管。

（4） 2003年3月12日：英特尔迅驰移动计算技术平台在笔记本电脑上诞生，其中包括英特尔最新的移动处理器——奔腾M处理器。该处理器基于全新的移动优化微架构，采用英特尔0.13微米制程技术制造，包含7700万个晶体管。

（5） 2005年5月26日：英特尔首款主流双核处理器——英特尔奔腾D处理器发布。该处理器拥有229,999,999个晶体管，采用英特尔领先的90纳米制程工艺。

（6） 2006年7月27日：英特尔酷睿2 双核处理器诞生。该处理器集成超过2.9亿个晶体管，采用英特尔65纳米制程工艺，在全球几家最先进的实验室生产。

（7） 2007年1月8日：为了扩大四核PC在主流市场的销量，英特尔发布了英特尔酷睿2四核处理器和另外两款用于台式电脑的四核服务器处理器，采用65纳米工艺制造。英特尔酷睿2四核处理器集成了超过5.8亿个晶体管。

英特尔酷睿 2 四核处理器

（8） 2010年推出的Corei7 980X，生产工艺为32纳米，晶体管数量为11,699,999,999个。

（9）  2013 年推出的Core i7 4960X ，制造工艺为 22 纳米，晶体管数量为 18.6 亿个。

三、为什么晶体管越多的CPU性能就越强？

CPU 就像一个存放开关的大型工厂。每个晶体管都是一个开关，关闭时为0 ，打开时为1。晶体管越多，开关就越多。处理同一个问题时，选择的路线越多，循环的线路就越多。

同样，CPU 的晶体管越多，单位时间内电流的支路就越多。从宏观角度来看，CPU 处理的数据越多，机器的速度就越快。

CPU主要包括逻辑运算单元、控制单元和存储单元。逻辑运算和控制单元中有一些寄存器。这些寄存器用于CPU在数据处理过程中临时存储数据。

CPU制造是一个非常高精度的工艺，必须借助机械设备来完成。从晶圆上切下来的晶体管，会通过机器印制到CPU基座上。每个印制好的基座都会经过检查，剔除不良品。然后再加上外壳接口，就成了我们常见的处理器产品。

四、CPU是如何工作的？

CPU 的核心是计算机系统的计算中心，通过连续的“取指-解码-执行”循环执行程序指令。该过程首先由控制单元从内存中获取指令，然后由解码器解释这些指令，最后由执行单元执行所需的操作 (Null & Lobur, 2019)。

众所周知，CPU是计算机的“心脏”，是整个微型计算机系统的核心。因此，它常常是各种等级微型计算机的代名词，例如286、386、486、奔腾、PII、K6，到如今的PIII、P4、K7等等。回顾CPU的发展历史，CPU在制造工艺上得到了长足的进步，主要体现在集成越来越多的电子元器件上。从最初的集成数千个晶体管，到如今的数百万、数千万个晶体管，它们是如何处理数据的呢？

1. CPU 的原始工作模型

在了解CPU的工作原理之前，我们先简单说一下CPU是如何生产的。CPU是在纯硅材料上制造的。一个CPU芯片包含数百万个精密的晶体管。人们用化学方法在硅片上蚀刻或光刻晶体管。因此，CPU是由晶体管组成的。简单来说，晶体管是微型电子开关。它们是构建CPU的基石。你可以把晶体管想象成电灯开关。它们有一个操作位，代表两种状态：开和关。这种开和关相当于晶体管的连接和断开。这两种状态对应着二进制的基本状态“ 0 ”和“ 1 ”。这样，计算机就具备了处理信息的能力。但不要以为简单的“0”和“1”双态晶体管的原理很简单。事实上，它们的研制是科学家们经过多年艰苦研究才取得的。在晶体管出现之前，计算机依靠缓慢、低效的真空管和机械开关来处理信息。后来科学家把两块晶体放入一块硅晶体中，这样就制成了第一个集成电路。

看到这里，你一定很疑惑，晶体管是如何利用“ 0 ”和“ 1 ”这两个电子信号来执行指令、处理数据的呢？其实，所有电子设备都自带电路和开关。电路中电子的流动或断路完全由开关控制。如果你把开关拨到OFF，电子就停止流动；拨到ON，电子就会继续流动。晶体管的导通和截止的切换仅由电子信号控制，所以我们可以称晶体管为二进制器件。这样，晶体管的导通状态用“1”表示，截止状态用“0”表示，这就能构成最简单的二进制数。众多晶体管产生的多个“1”和“0”的特殊顺序和模式，可以代表不同的情况，这些情况被定义为字母、数字、颜色和图形。例如，十进制数字中的1在二进制中也是“1”，2在二进制中也是“10”，3是“11”，4是“100”，5是“101”，6是“110”等等，这些构成了计算机工作中使用的二进制语言和数据。晶体管组可以组合起来存储数值，以及执行逻辑和数字运算。

2. CPU的内部结构

现代 CPU 包含几个关键组件：

1. 控制单元：管理指令周期，指挥处理器的操作

2. 算术逻辑单元 (ALU)：执行数学计算和逻辑运算

3. 寄存器：CPU 内用于临时数据存储的小型高速内存位置

4. 高速缓存：快速的本地内存，用于存储经常访问的数据和指令

5. 内存管理单元：处理内存寻址和转换

6. 总线接口：促进与其他系统组件的通信（Stallings，2016）

CPU中的晶体管

现在我们已经大致知道了CPU负责什么，但是哪些部件负责处理数据和执行程序呢？

1） 算术逻辑单元 （ALU ）

ALU是运算单元的核心，它以全加器为基础，辅以移位寄存器和相应控制逻辑构成的电路。在控制信号的作用下，它可以完成加、减、乘、除四种运算以及各种逻辑运算。正如刚才所说，这相当于工厂里的生产线，负责对数据进行计算。

2）RS（寄存器组或寄存器）

RS本质上是CPU中临时存储数据的地方，它存储等待处理的数据或者已经处理完的数据。CPU访问寄存器的时间比访问内存的时间短，使用寄存器可以减少CPU访问内存的次数，从而提高CPU的工作速度。但是，由于芯片面积和集成度的限制，寄存器组的容量不能很大。寄存器组可分为专用寄存器和通用寄存器。通用寄存器应用广泛，可以由程序员指定。通用寄存器的数量因微处理器而异。

3）控制单元

如同工厂的物流配送部门一样，控制单元是整个CPU的指挥控制中心。控制单元由指令寄存器IR、指令译码器ID和运算控制器OC三部分组成，它对于协调整个计算机的有序工作极为重要。控制单元根据用户预先编制的程序，从寄存器中取出每条指令，指令寄存器依次将其放入指令寄存器IR，通过指令译码（解析）确定应该进行什么操作，然后按照确定的时序，对运算控制器OC发出微操作控制信号给相应的部件。运算控制器OC主要包括拍频脉冲发生器、控制矩阵、时钟脉冲发生器、复位电路、启停电路等控制逻辑。

4）公交车

就像工厂里各部件之间的通讯通道一样，总线实际上是一组电线，是各种常用信号线的集合。总线就像计算机中所有组件共同使用的“高速公路”，用于传输信息。直接连接到CPU的总线可以称为局部总线，包括DB（数据总线）、AB（地址总线）、CB（控制总线）。其中，数据总线用于传输数据信息；地址总线用于传输CPU发出的地址信息；控制总线用于传输控制信号、时序信号和状态信息。

3. CPU工作流程

CPU的基本工作流程遵循冯·诺依曼架构：

1. 取指：CPU 从内存中检索下一条指令

2. 解码：解释指令以确定所需的操作

3. 执行：CPU执行操作

4. 存储：结果写回内存或寄存器

5. 增量：程序计数器前进到下一条指令（Tanenbaum & Austin，2012）

由晶体管组成的CPU是处理数据和执行程序的核心，即中央处理器（Central Processing Unit）。首先，CPU的内部结构可以分为控制单元、逻辑运算单元和存储单元（包含内部总线和缓冲区）三个部分。CPU的工作原理就像工厂加工产品：进入工厂的原材料（程序指令）经过物料配送部门（控制单元）的调度，被送到生产线（逻辑运算单元）生产出成品（加工数据），然后存储到仓库（存储单元），最后等待市场上出售（供应用程序使用）。在这个过程中，我们注意到，从控制单元开始，CPU就开始了正式的工作，中间过程是通过逻辑运算单元进行运算处理，交接给存储单元代表工作的结束。

4. 数据和说明

CPU 处理两种基本类型的信息：

• 数据：计算过程中操作的值

• 指令：指示 CPU 操作的命令

这些指令以二进制格式编码并存储在系统内存中。CPU 快速获取、解码和执行这些指令的能力是所有计算操作的基础 (Patterson & Hennessy, 2017)。

现在，我们来看看数据在CPU中是如何运行的。我们知道数据从输入设备流经内存，等待CPU处理。需要处理的信息以字节（bytes）为单位存储，也就是8位二进制数，或者说8个比特（bits）作为一个单元存储。这些信息可以是数据，也可以是指令。数据可以是字符、数字，也可以是二进制表示的颜色。指令告诉CPU对数据执行哪些操作，比如完成加法、减法或者移位运算。我们假设内存中的数据是最简单的原始数据。首先，指令指针会通知CPU将要执行的指令放在内存中的某个存储位置。因为内存中每个存储单元都有一个编号。数据可以根据这些地址取出，通过地址总线发送到控制单元。指令解码器从指令寄存器IR中取出指令，并将其翻译成CPU可以执行的形式。然后CPU 决定需要哪些必要的操作来完成该指令。它会告诉算术逻辑单元（ALU ）何时进行计算，告诉指令读取器何时获取值，告诉指令译码器何时翻译指令等等。如果数据被送到算术逻辑单元，数据会执行指令中指定的算术运算以及其他各种操作。当数据处理完成后，它会返回到寄存器，并通过不同的指令继续运行数据，或者通过DB总线将其发送到数据缓冲区。

CPU 基本上执行三个基本任务：读取数据、处理数据以及将数据写入内存。但通常情况下，一条指令可能包含许多按明确顺序执行的操作。CPU 的工作就是执行这些指令。完成一条指令后，CPU 的控制单元会通知指令读取器从内存中读取下一条指令并执行。这个过程不断快速地重复，一条接一条地执行指令，最终产生您在显示屏上看到的结果。在处理如此多的指令和数据时，由于数据传输时间差和 CPU 处理时间差，必然会出现处理混乱的情况。为了确保每个操作都按时发生，CPU 需要一个时钟，它控制着 CPU 执行的每一个动作。时钟就像一个节拍器，它不断地发出脉冲，决定着 CPU 的节奏和处理时间。这就是我们熟悉的 CPU 的标称速度，也称为主频。主频值越高，CPU 的运行速度就越快。

5.如何提高CPU工作效率？

由于CPU的主要工作是执行指令和处理数据，因此工作效率也就成为了CPU考量的主要内容。CPU厂商也竭尽所能地让CPU更快地处理数据。根据CPU内部的计算结构，一些厂商在CPU中添加一个算术逻辑单元（ALU）或设置一个浮点运算单元（FPU），从而大大加快了数据运算的速度。在执行效率方面，一些厂商通过流水线或并行执行指令来提高指令的执行速度。前面我们提到，指令的执行需要许多独立的操作，例如取指令和译码。最初，CPU必须先执行完上一条指令，才能执行下一条指令，但现在分布式电路各自执行各自的操作。也就是说，当这部分电路完成一项工作后，第二项工作会立即占用该电路，从而大大提高执行效率。此外，为了使指令之间的衔接更加精准，现在的CPU通常会采用多种预测方法来控制指令，使其更高效地执行。

结论

CPU 晶体管数量的指数级增长一直是计算技术演进的显著特征。从早期微处理器中几千个晶体管到如今先进 CPU 中数十亿个晶体管，这一发展使得计算设备的性能日益强大、高效且功能多样。尽管摩尔定律可能正在接近物理极限，但创新的架构设计和替代的计算范式仍在持续推动性能提升，确保 CPU 演进的故事远未结束。