改变世界的小型强大晶体管诞生 75 周年

毫不夸张地说，现代世界始于75年前新泽西州一个不起眼的办公园区。

这是贝尔实验室的鼎盛时期。它最初是一家电话公司的研究部门，到 20 世纪 40 年代已成为科学家和工程师的游乐场。这座办公大楼是创新的摇篮：射电望远镜、激光器、太阳能电池和多种编程语言。但没有一个像晶体管那样具有重大意义。

一些技术史学家认为，1947 年底贝尔实验室首次发明的晶体管是人类历史上最重要的发明。无论这种说法是否属实，毫无疑问的是，晶体管帮助引发了一场数字化世界的革命。没有晶体管，我们所熟知的电子产品就不可能存在。地球上几乎每个人的日常生活都会截然不同。

“晶体管对各个收入水平的国家都产生了重大影响，”新泽西州电气和电子工程师学会高级会员 Manoj Saxena 表示。“晶体管对地球上几乎每个人的生活的影响难以估量，”现代诺基亚贝尔实验室副总裁 Tod Sizer 在一封电子邮件中写道。

那么晶体管到底是什么？

简单来说，晶体管是一种可以打开或关闭电流的装置。可以把它想象成一扇电子门，每秒可以打开和关闭成千上万次。此外，晶体管还可以增强通过它的电流。这些能力对于制造各种电子产品（包括计算机）至关重要。

在晶体管时代的第一个十年里，这些能力得到了认可，当时制造出第一个晶体管的三位贝尔实验室科学家——威廉·肖克利、约翰·巴丁、沃尔特·布拉顿——获得了 1956 年诺贝尔物理学奖。（在后来的几十年里，科学界的许多人谴责肖克利支持优生学和智商种族主义思想。）

晶体管通常由半导体等元素制成，半导体可用于控制电流。第一个晶体管大小与人的手掌相当，由准金属锗制成。到 20 世纪 60 年代中期，大多数晶体管都由硅制成（元素周期表中锗的上一个元素），工程师们将晶体管组装成复杂的集成电路：计算机芯片的基础。

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几十年来，晶体管的发展一直遵循着一条经验法则，即摩尔定律：最先进的电路中可以容纳的晶体管数量大约每两年翻一番。摩尔定律是计算机芯片领域的流行词，长期以来一直是工程师们的陈词滥调，但它至今仍然适用。

现代晶体管的尺寸只有几纳米。你用来阅读本文的设备中的典型处理器可能将数十亿个晶体管封装在比人的指甲还小的芯片上。

如果没有晶体管的世界将会是什么样子？

要回答这个问题，我们必须看看晶体管取代了什么——它并不是唯一可以放大电流的设备。

在真空管占据主导地位之前，电子产品依赖于真空管：通常由玻璃制成的灯泡，将带电板放在无空气的内部。真空管比晶体管有几个优势。它们可以产生更多的电力。在这项技术过时的几十年后，一些发烧友仍坚信真空管音乐播放器的音质比晶体管播放器更好。

但真空管体积庞大，而且非常脆弱（它们很容易烧坏，就像白炽灯泡一样）。此外，它们通常需要时间来“预热”，这使得真空管设备有点像吱吱作响的旧散热器。

晶体管似乎是一种方便的替代品。“晶体管的发明者们自己相信晶体管可能用于某些特殊仪器，甚至可能用于军用无线电设备，”IEEE 电子设备协会现任主席 Ravi Todi 说。

最早进入市场的晶体管设备是 1953 年推出的助听器。不久之后，晶体管收音机问世，成为 20 世纪 60 年代的标志。便携式真空管收音机确实存在，但如果没有晶体管，手持收音机可能不会成为一种无处不在的设备，开启了人们在外出时听音乐的能力。

但即使在晶体管时代的早期，这些设备的数量就开始猛增——在某些情况下，数量真的是猛增。阿波罗计划的机载计算机就是用晶体管制造的，它帮助宇航员在太空中操纵飞船时调整方向。如果没有它，工程师要么不得不在狭窄的航天器上安装一个笨重的真空管装置，要么宇航员不得不依赖地面的繁琐指令。

晶体管已经开始革新计算机本身。晶体管时代开始前不久制造的一台计算机——ENIAC，旨在为美国军方进行研究——使用了 18,000 个真空管，占据了舞厅大小的空间。

随着时间的推移，真空管计算机逐渐被挤进更小的房间。即便如此，1951 年的 UNIVAC I 也花费了超过 100 万美元（不考虑通货膨胀），其客户是大型企业或数据密集型政府机构，如人口普查局。直到 20 世纪 70 年代和 80 年代，由晶体管驱动的个人计算机才开始进入中产阶级家庭。

如果没有晶体管，我们可能会生活在这样一个世界：电脑只是你在工作时使用的东西，而不是在家里。忘掉智能手机、手持导航仪、平板显示器、火车站的电子计时屏幕，甚至不起眼的数字手表吧。所有这些都需要晶体管才能工作。

托迪说：“晶体管是所有现代技术的基础，包括电信、数据通信、航空以及音频和视频录制设备。”

未来 75 年的晶体管技术将会是什么样子？

不可否认的是，2022 年的世界与 1947 年的世界大不相同，这在很大程度上要归功于晶体管。那么，75 年后，也就是 2097 年的世界，我们应该对晶体管抱有怎样的期望呢？

很难确切地说。如今几乎所有晶体管都是用硅制成的——硅谷就是因此得名的。但这种情况能持续多久呢？

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硅晶体管现在已经足够小，工程师们不确定它们还能缩小到什么程度，这表明摩尔定律可能有一个有限的终点。而有节能意识的研究人员希望制造出耗电更少的计算机芯片，部分原因是希望减少数据中心和其他大型设施的碳足迹。

越来越多的研究人员正在考虑硅的替代品。他们正在考虑利用奇异的量子效应和微小的磁铁的计算机芯片。他们正在寻找锗等奇异形式的碳的替代材料。其中哪一个，如果有的话，有朝一日可能会取代硅晶体管？这还不确定。

萨克塞纳说：“没有任何一项技术能够满足所有需求。”而且，2090 年代的标志性技术很可能尚未发明。