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从真空管到微处理器

一条从电子开关、存储程序和固态器件出发，经由平面工艺、集成电路与 MOS 大规模集成，最终把 CPU 压缩到单片芯片的计算技术演化故事。

为什么计算机的核心能力能在不到三十年的时间里，从充满真空管的机柜变成一颗可嵌入设备的微处理器？

计算机并不是突然从机柜变成芯片。它先要有一种可靠的方式表示信息，再把表示方式落实为开关和逻辑，接着解决程序如何保存、器件如何缩小以及大量元件如何互连。

1. 先让电子信号能够计算

真空管让电子开关获得足够速度，二进制和布尔代数则给出了稳定的表示和逻辑规则。数字逻辑把它们组织为门、触发器和寄存器，存储程序架构再把指令放进存储器。此时的难题从“能不能计算”转为“怎样保存更多程序和数据”。

汞延迟线让早期机器拥有了可工作的串行主存，磁芯存储器随后提供更实用的随机访问。存储器不是故事旁边的配件：没有它，存储程序就无法把通用性变成日常运行能力。

2. 固态器件把机柜的限制推开

点接触晶体管给出真空管的固态替代方向，结型晶体管和硅材料又把它变成可制造的系统器件。晶体管计算机因此更小、更可靠，但“每个器件单独封装、再用电路板连接”的方式很快遇到数量和布线瓶颈。

平面工艺的意义在于它同时解决了可靠性和制造问题：氧化层保护硅表面，光刻定义图形，金属层可以在同一平面连接器件。集成电路由此成为一种工业方法，而不只是把几颗器件放在同一个封装里的实验。

3. 集成电路选择更适合规模的路线

TTL 先把高速双极逻辑做成标准模块；MOSFET 则以绝缘栅和更简单的平面结构，沿着更高密度的方向发展。硅栅工艺降低了对准和寄生限制，MOS IC 逐渐同时承载逻辑与存储。

CMOS 的互补结构控制了稳态功耗，半导体 RAM 开始挑战磁芯的成本，ROM 则保存固定程序和微程序。它们构成了处理器周围的记忆系统：计算单元变快并没有用，除非指令和数据也能以相近的规模被保存和取出。

4. 把 CPU 压缩到单片

大规模集成把数百至数千个晶体管放在一片芯片上。CPU 的抽象已经清晰：控制器、寄存器和算术逻辑单元共同执行指令；微程序等方法帮助设计者管理复杂控制。接下来的关键不是发明一种全新的计算模型，而是把已知的 CPU 功能压缩到芯片面积和封装引脚允许的范围内。

1971 年前后，MOS 大规模集成实现了早期商业微处理器。Intel 4004 是重要的早期案例，但“第一微处理器”的边界会随“是否必须单芯片、是否要求通用、是否算商业产品”等定义变化。可以确认的是：微处理器把 CPU 从大型系统中的多芯片模块变成了可复用器件，外接 ROM、RAM 和输入输出后即可组成各种设备。

01
主线1904–1906

电子开关的起点：真空管

真空管把放大和开关从机械运动变成电子过程，但它的体积、发热和寿命限制了计算机规模。

真空管

利用真空中电子运动进行整流、放大或开关的电子器件，是早期电子计算机的主要有源器件。

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02
主线1937–1948

把开关组织成数字逻辑

二值状态和布尔规则让真空管能够组成逻辑门、触发器和寄存器，电子电路开始具有可组合的计算结构。

数字逻辑电路

用离散信号和逻辑门处理信息的电路体系，把二进制与布尔规则落实为可组合的硬件。

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03
支线17 世纪形成；20 世纪用于电子计算

支线：用二进制表示信息

二进制把数字、字符和指令统一编码为 0/1 位，正好对应开关器件的两种稳定状态。

二进制数制

只用 0 和 1 表示数值与状态的数制，为可靠的数字开关和计算机编码提供了统一表示。

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04
支线1847–1937

支线：让逻辑可以计算

布尔代数把 AND、OR、NOT 等关系写成可化简的表达式，工程师可以先推导逻辑，再用器件实现。

布尔代数

用代数规则表示真值和逻辑运算的数学体系，为逻辑门和开关电路的组合设计提供形式化方法。

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05
主线1948–1951

从固定接线到存储程序

指令进入可读写存储器后，同一套电子逻辑可以通过更换程序承担不同任务，计算机获得通用性。

存储程序计算机

把指令和数据都存入可读写存储器、按指令序列自动执行的通用计算机架构。

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06
支线1947–1951

支线：让程序有地方停留

汞延迟线以脉冲循环保存位，提供了早期存储程序机器可以使用的串行主存。

汞延迟线存储器

把脉冲作为声波在充满汞的管道中传播并循环读写的串行存储器。

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07
支线1949–1955

支线：主存走向随机访问

磁芯阵列改善了访问可预测性和断电保持能力，长期成为计算机主存，也为半导体存储器树立比较基准。

磁芯存储器

用可磁化和翻转的微小磁芯保存二进制位，并通过线圈选择和读写的随机访问存储器。

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08
主线1947–1948

固态开关出现：点接触晶体管

点接触晶体管证明半导体可以放大和开关，不需要真空管的灯丝和高温阴极。

点接触晶体管

利用两个靠近的金属接点控制半导体电流的早期三端固态放大和开关器件。

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09
主线1948–1952

从实验器件到可制造器件

结型晶体管把控制机制放入半导体内部，改善点接触结构的稳定性和批量制造条件。

结型晶体管

利用 p-n 结和基区载流子注入实现放大与开关的三端双极型晶体管结构。

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10
支线1954–1961

支线：硅成为材料平台

高纯硅、掺杂和扩散工艺改善了温度稳定性和一致性，为后面的平面工艺与 MOS 路线提供晶圆基础。

硅晶体管

以高纯硅和受控掺杂制造的晶体管，改善了锗器件的温度稳定性、漏电和批量制造条件。

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11
主线1953–1961

晶体管化计算机进入系统

离散晶体管替代主要真空管逻辑，计算机变得更小、更省电、更可靠，但封装和布线数量开始成为新瓶颈。

晶体管计算机

以离散晶体管替代主要真空管逻辑和放大器的通用计算机系统。

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12
支线1955–1960

支线：把电路图形复制到晶圆

光刻把掩膜图形转移到晶圆，使器件制造从逐个加工走向可重复的晶圆级复制。

半导体光刻

利用光掩膜和感光材料把电路图形转移到晶圆表面，支持半导体器件的重复制造。

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13
主线1959–1961

平面工艺解决可靠性与互连

保留的二氧化硅层保护硅表面结，也成为掩膜和绝缘层；多个器件因此可以在同一平面上制造和连接。

平面工艺

在硅表面保留二氧化硅保护层并通过掩膜形成器件和互连的半导体制造工艺。

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14
主线1958–1961

把多个器件做成一块芯片

集成电路把晶体管、无源元件和互连一起制造，减少了板级装配与外部连线。

集成电路

把多个晶体管、电阻、电容和互连制造在一块半导体基片上的电子电路。

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15
支线1961–1964

支线：TTL 提供高速逻辑模块

TTL 让双极型晶体管逻辑以标准 IC 模块交付，适合构造早期处理器和控制器，但功耗和密度仍有限。

晶体管-晶体管逻辑

以双极型晶体管同时承担输入逻辑和输出驱动的集成电路逻辑家族。

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16
主线1959–1960

另一条器件路线：MOSFET

绝缘栅电场控制沟道，MOSFET 以很小的栅极电流实现开关，更适合把大量器件复制在单片上。

MOSFET

通过绝缘栅极电场控制半导体沟道导通的场效应晶体管，是 MOS 集成电路的基本开关器件。

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17
支线1968–1971

硅栅工艺提高 MOS 密度

多晶硅栅与自对准结构缩小沟道和寄生效应，把 MOSFET 的器件优势转化为更高密度的芯片能力。

硅栅工艺

以多晶硅作为 MOS 栅极并采用自对准结构的制造工艺，改善器件速度、尺寸和互连能力。

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18
主线1964–1970

MOS IC 汇合逻辑与存储

MOS 集成电路把逻辑门、移位寄存器和存储单元做在同一片硅上，开始以密度和单位成本建立优势。

MOS 集成电路

以 MOSFET 为基本器件、在单片上实现逻辑或存储功能的集成电路路线。

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19
支线1963–1975

支线：CMOS 控制静态功耗

互补 p、n 沟道网络让稳态直流功耗很低，为更大规模数字系统保留了功耗余量。

CMOS

用互补的 p 沟道和 n 沟道 MOSFET 构成逻辑网络、在稳态几乎不消耗直流功率的电路技术。

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20
支线1960–1971

支线：主存也进入芯片

半导体 RAM 以 MOS 阵列替代越来越昂贵的磁芯，存储单元与译码电路开始和处理器共享制造路线。

半导体存储器

把存储单元、译码和读写电路集成在半导体芯片上的存储器总称，包括 RAM、ROM 等路线。

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21
主线1965–1971

支线：把固定程序放进 ROM

ROM 保存微程序、查找表或启动内容，让未来的微处理器系统能够上电后自动运行确定程序。

只读存储器

在制造或编程阶段确定内容、运行时主要读取的非易失性半导体存储器。

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22
主线1967–1972

从功能模块到大规模集成

更小图形和更高良率让单芯片容纳数百至数千个晶体管，CPU 的主要部件开始具备集成到一块芯片的可能。

大规模集成

在单个集成电路中集成数百至数千个晶体管及其互连的技术阶段和设计尺度。

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23
主线1945–1951

明确要被压缩的目标：CPU

控制器、寄存器和算术逻辑单元已经形成稳定的 CPU 抽象，下一步是把它们从多芯片系统压缩成单个器件。

中央处理器

执行指令、进行算术逻辑运算并协调寄存器、存储器和输入输出的计算机核心部件。

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24
支线1951–1960

支线：用微程序组织复杂控制

微程序把机器指令拆成微操作，降低控制器硬布线复杂度，帮助工程师在有限芯片资源内实现可管理的指令集。

微程序设计

用控制存储器中的微指令序列实现机器指令控制逻辑的方法。

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25
主线1971–1972

微处理器：CPU 进入一片芯片

1971 年前后，MOS 大规模集成把 CPU 的主要功能做进单个芯片；外接 ROM、RAM 和输入输出后，它成为可复用的通用计算核心。

微处理器

把中央处理器的主要功能集成到单个可封装芯片上的处理器器件。

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这条路线不是单个发明者的直线接力，而是表示与计算、器件制造、存储和互连几个问题反复耦合的结果。微处理器把 CPU 变成可复用器件，但它仍依赖存储器、输入输出和制造工艺组成完整系统。

这个故事里的技术关系

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参考资料

  1. Professor Sir Maurice Wilkes (1913–2010)

    Professor Sir Maurice Wilkes (1913–2010)

    URL: https://www.cam.ac.uk/news/professor-sir-maurice-wilkes-1913-2010

    出版者: University of Cambridge

    访问时间: 2026-08-17

  2. Intel's Microprocessor

    Intel's Microprocessor

    URL: https://www.computerhistory.org/revolution/story/285

    出版者: Computer History Museum

    访问时间: 2026-08-17

  3. 1963: Complementary MOS Circuit Configuration is Invented

    1963: Complementary MOS Circuit Configuration is Invented

    URL: https://www.computerhistory.org/siliconengine/complementary-mos-circuit-configuration-is-invented/

    出版者: Computer History Museum

    访问时间: 2026-08-17

  4. Computers: Timeline of Computer History

    Computers: Timeline of Computer History

    URL: https://www.computerhistory.org/timeline/computers/

    出版者: Computer History Museum

    访问时间: 2026-08-17

  5. How Do Digital Computers Think?

    How Do Digital Computers Think?

    URL: https://www.computerhistory.org/revolution/digital-logic/12/269

    出版者: Computer History Museum

    访问时间: 2026-08-17

  6. Digital Logic

    Digital Logic

    URL: https://www.computerhistory.org/revolution/digital-logic/12/intro

    出版者: Computer History Museum

    访问时间: 2026-08-17

  7. 1964: First Commercial MOS IC Introduced

    1964: First Commercial MOS IC Introduced

    URL: https://www.computerhistory.org/siliconengine/first-commercial-mos-ic-introduced/

    出版者: Computer History Museum

    访问时间: 2026-08-17

  8. First Steps: Lectures from the Dawn of Computing

    First Steps: Lectures from the Dawn of Computing

    URL: https://computerhistory.org/blog/first-steps-lectures-from-the-dawn-of-computing/

    出版者: Computer History Museum

    访问时间: 2026-08-17

  9. The Integrated Circuit

    The Integrated Circuit

    URL: https://www.computerhistory.org/revolution/digital-revolution/12/276

    出版者: Computer History Museum

    访问时间: 2026-08-17

  10. Memory & Storage: Timeline of Computer History

    Memory & Storage: Timeline of Computer History

    URL: https://www.computerhistory.org/timeline/memory-storage/

    出版者: Computer History Museum

    访问时间: 2026-08-17

  11. 1971: Microprocessor Integrates CPU Function onto a Single Chip

    1971: Microprocessor Integrates CPU Function onto a Single Chip

    URL: https://www.computerhistory.org/siliconengine/microprocessor-integrates-cpu-function-onto-a-single-chip/

    出版者: Computer History Museum

    访问时间: 2026-08-17

  12. Who Invented the Microprocessor?

    Who Invented the Microprocessor?

    URL: https://computerhistory.org/blog/who-invented-the-microprocessor/

    出版者: Computer History Museum

    访问时间: 2026-08-17

  13. 1970: MOS Dynamic RAM Competes with Magnetic Core Memory on Price

    1970: MOS Dynamic RAM Competes with Magnetic Core Memory on Price

    URL: https://www.computerhistory.org/siliconengine/mos-dynamic-ram-competes-with-magnetic-core-memory-on-price/

    出版者: Computer History Museum

    访问时间: 2026-08-17

  14. Fairchild's Approach: The Planar Process

    Fairchild's Approach: The Planar Process

    URL: https://www.computerhistory.org/revolution/story/329

    出版者: Computer History Museum

    访问时间: 2026-08-17

  15. Invention of the Planar Integrated Circuit & Other Stories from the Fairchild Notebooks

    Invention of the Planar Integrated Circuit & Other Stories from the Fairchild Notebooks

    URL: https://computerhistory.org/blog/invention-of-the-planar-integrated-circuit-other-stories-from-the-fairchild-notebooks/

    出版者: Computer History Museum

    访问时间: 2026-08-17

  16. 1959: Invention of the Planar Manufacturing Process

    1959: Invention of the Planar Manufacturing Process

    URL: https://www.computerhistory.org/siliconengine/invention-of-the-planar-manufacturing-process/

    出版者: Computer History Museum

    访问时间: 2026-08-17

  17. 1965: Semiconductor Read-Only-Memory Arrays

    1965: Semiconductor Read-Only-Memory Arrays

    URL: https://www.computerhistory.org/storageengine/semiconductor-read-only-memory-arrays/

    出版者: Computer History Museum

    访问时间: 2026-08-17

  18. Semiconductor Memory: Fast, Cheap, or Dense?

    Semiconductor Memory: Fast, Cheap, or Dense?

    URL: https://www.computerhistory.org/revolution/memory-storage/8/311

    出版者: Computer History Museum

    访问时间: 2026-08-17

  19. The Silicon Engine: A Timeline of Semiconductors in Computers

    The Silicon Engine: A Timeline of Semiconductors in Computers

    URL: https://www.computerhistory.org/siliconengine/

    出版者: Computer History Museum

    访问时间: 2026-08-17

  20. The Silicon Engine Timeline

    The Silicon Engine Timeline

    URL: https://www.computerhistory.org/siliconengine/timeline/

    出版者: Computer History Museum

    访问时间: 2026-08-17

  21. 1946: Williams demonstrates CRT storage

    1946: Williams demonstrates CRT storage

    URL: https://www.computerhistory.org/storageengine/williams-demonstrates-crt-storage/

    出版者: Computer History Museum

    访问时间: 2026-08-17

  22. 1953: Transistors Make Fast Memories

    1953: Transistors Make Fast Memories

    URL: https://www.computerhistory.org/storageengine/transistors-make-fast-memories/

    出版者: Computer History Museum

    访问时间: 2026-08-17

  23. The Nobel Prize in Physics 1956

    The Nobel Prize in Physics 1956

    URL: https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1956/summary/

    出版者: Nobel Prize Outreach

    访问时间: 2026-08-17

  24. The Transistor: History

    The Transistor: History

    URL: https://educationalgames.nobelprize.org/educational/physics/transistor/history/index.html

    出版者: Nobel Prize Outreach

    访问时间: 2026-08-17