《计算机组成与体系结构（原书第4版）》 —1.5.3　第二代：晶体管计算机（1954～1965年）

1.5.3　第二代：晶体管计算机（1954～1965年）

第一代电子管技术不是非常可靠。事实上，一些ENIAC的反对者认为该系统不可能运行，因为管子烧毁的速度比更换管子的速度还要快。虽然系统的可靠性没有预言者预测的那么糟糕，但是电子管系统的停机时间往往比正常运行时间更多。

1948年，贝尔实验室的3位研究人员——约翰·巴丁、沃***·布拉顿和威廉·肖克利——发明了晶体管。这项新技术不仅革新了电视机和收音机等设备，而且也推动计算机工业进入新的一代。因为晶体管比电子管耗电少、体积更小，而且工作更可靠，所以计算机中的电路变得更小也更可靠。尽管使用了晶体管，但这一代计算机体积仍然庞大且价格昂贵，通常只有大学、政府和大型企业能用得起。然而，在这一代中出现了大量计算机制造商。IBM、DEC（数字设备公司）和Univac（现在的Unisys）等在计算机工业中占据了主导地位。IBM制造、销售了用于科学应用的7094计算机和用于商用的1401计算机。DEC忙于制造PDP-1计算机。莫克利和艾克特成立了Univac系统公司（但很快出售）。这一代最成功的Unisys系统当属1100系列。另外一个公司CDC（控制数据公司）在西摩·克雷的管理下建造了世界上第一台超级计算机CDC 6600。1000万美元的CDC 6600每秒可以执行1000万条指令，使用60位字，有一个惊人的128K字的主存储器。什么是晶体管?晶体管这个词的英文（transistor）由transfer的词头和resistor的词尾拼在一起构成。晶体管是三极管的固态版本。没有四极管或五极管的固态版本。电子在固态介质中比在电子管的开放空隙中表现更好，所以不需要额外的控制栅极。锗或硅可以作为固态器件的基本“固体”。在纯净状态下，这些元素都不是电的良导体。但是，当它们与元素周期表中和它们相邻的微量元素相结合时，能以有效和容易控制的方式导电。

在元素周期表中，在硅和锗的左边可以找到硼、铝和镓。因为它们位于硅和锗的左边，所以它们的外层电子壳中少一个电子，或者化合价（valence）少1。因此，如果加少量的铝到硅中，在硅的外层电子壳中会有轻微的不平衡，所以它就会从有负电位（剩余电子）的电极上吸引电子。当用这种方式改变或掺杂硅或锗时，它们就变成了一种P型材料。

与此类似，如果加一些磷（phosphorus）、砷（arsenic）或锑（antimony）到硅中，在硅的外层电子壳中就会有剩余电子。这样我们就获得了一种N型材料。如果在N型材料中提供松散电子，那么就会有少量的电流流过N型材料。换句话说，如果把正电位加到N型材料上，电子将从负极流向正极。如果电极被反转，也就是说，把负电位加到N型材料上并且把正电位加到P型材料上，那么将不会有电流流过。这意味着我们能用N型材料和P型材料的简单结合制造固态二极管。

固态三极管（即晶体管）由三层半导体材料组成。一片P型材料夹在两片N型材料中间，或者一片N型材料夹在两片P型材料中间。前者称为NPN晶体管，后者称为PNP晶体管。晶体管的内层称为基极，其他两层分别称为集电极和发射极。

右侧的图标示出电流如何通过NPN和PNP晶体管。在晶体管中基极的作用就像三极电子中的控制栅极：在晶体管基极上电流的微小变化会导致从发射极到集电极产生一个大电流。

顶部的图中展示了一个封装形式为“TO-50”的分立元件晶体管。（译者注：TO-xxx表示晶体管的封装结构，TO是Transistor Out-line的缩写，xxx表示晶体管的外形。）只有3根导线连接晶体管的基极、发射极和集电极到电路的其余部分。晶体管不仅比电子管小，而且在运行时发热少且更可靠。电子管灯丝（就像灯泡灯丝一样）会发热和烧毁。使用晶体管元件的计算机比使用电子管的计算机体积自然更小而且发热更少。然而，最终的小型化并不是由离散晶体管取代单个三极管实现的，而是把整个电路缩小到一个硅片上。

集成电路（或芯片）包含数百到数十亿个微小的晶体管。有几种用于制造集成电路的不同技术。最简单的方法是使用计算机辅助设计软件创建一个电路，这个软件可以打印形成芯片的几个硅层的大图。就像用底片洗照片一样，用光透过图照射硅的表面，图上有光阻物质的区域和没有光阻物质的区域会引起透射光的变化，当硅片浸入一种化学物质中时，硅的曝光区域的感光材料被冲走，在芯片表面就会产生电路的精致图案。这项技术称为微光刻。在蚀刻完成后，就可以在芯片有凹痕的表面上沉积一层N型或P型材料。然后，对这一层材料再进行曝光、蚀刻。这个过程一直持续到所有的层都蚀刻完。由P型和N型材料产生的波峰和低谷形成了微观电子元件（包括晶体管），这样得到的电路就像以前由分立元件制成的更大部件一样，但是这样的电路运行速度更快，消耗的电量只是原来的一小部分。