1.2 物理结构

在课堂上，我会将各种各样露出内部结构的硬件设备（这几十年淘垃圾的成果）在班上传看。计算机技术中很多东西都很抽象，所以如果能看到并触摸磁盘、集成电路芯片以及用来制造集成电路的硅晶薄片之类的实物将会很有帮助。观察其中一些设备的演化也很有意思。例如，今天的笔记本电脑硬盘与10年或20年前的看起来没有什么区别，但存储容量是过去的10倍或者100倍，这些改进很难从外观看出来。数码相机中使用的SD（Secure Digital）卡也是如此。现在的包装与几年前（见图1.4）相同，但容量大了很多，价格也低了很多。32GB容量的卡的价格不到10美元。

图1.4 不同容量大小的SD卡

另一方面，搭载计算机部件的电路板则有着明显的进步。由于内置电路的原因，现在的元件更少了，布线越来越精细，连接引脚也比20年前更多、更紧凑了。

图1.5展示了20世纪90年代后期桌面个人电脑的电路板。像CPU和RAM之类的组件都安装或插入在主板上，通过主板另一面的印制电路相互连接。图1.6展示了图1.5中电路板背面的一部分，这些平行印制的电路是有着不同用途的总线。

图1.5 1998年的circa笔记本电脑电路板，尺寸为30厘米×19厘米

图1.6 印制电路板上的总线

计算机中的电子电路由大量的少数几种基本元素搭建而成。其中最重要的是逻辑门，它根据一个或两个输入值计算单个输出值，使用输入信号如电压或电流来控制输出信号，输出信号也是电压或电流。只要以正确的方式连接足够多这样的逻辑门，就有可能进行任何类型的计算。查尔斯·佩措尔德（Charles Petzold）的著作《编码的奥秘》（Code）对此做了很好的介绍，同时有许多网站也提供了图形动画以展示逻辑电路是如何执行算术和其他计算的。

晶体管是最基础的电路元素，由美国贝尔实验室的约翰·巴登、沃尔特·布拉特和威廉·肖克利于1947年发明。他们因为此发明获得了1956年的诺贝尔物理学奖。在计算机中，晶体管基本上就是一个开关，一个可以在电压控制下打开或关闭电流的装置。在这个简单的基础之上，可以构建任意复杂的系统。

逻辑门过去由分立元件构建而成，诸如在ENIAC中使用的灯泡大小的真空管，以及20世纪60年代计算机中铅笔橡皮头大小的独立晶体管。图1.7展示了第一个晶体管（左）的复制品、真空管和一个封装的CPU；实际电路组件在CPU中间，大约1厘米见方；真空管大概10厘米长。这样尺寸的现代CPU中包含大约数十亿个晶体管。

逻辑门构建在集成电路（Integrated Circuit, IC）上，通常被称为芯片或者薄芯片。集成电路把一个电子电路的所有元件和电路汇集在单一平面的电路（薄硅片）上，通过一系列复杂的光学和化学过程制造出没有分立部件和传统导线的电路。因此，集成电路比分立元件电路要小和健壮得多。芯片是采用直径约30厘米的圆晶片批量制造的，晶圆被切成单独包装的芯片。一个典型的芯片（见图1.7右下角）被安装在一个更大的封装中，有几十到数百个引脚连接到系统的其余部分。图1.8显示了封装的集成电路，实际的处理器在其中心，约1平方厘米的正方形。

图1.7 真空管、第一个晶体管和封装的CPU芯片

图1.8 集成电路芯片

集成电路的制造依赖于硅，这使加州旧金山南部地区得到了硅谷的绰号，因为这里是集成电路产业最初开始的地方。它现在是该地区所有高科技企业的简称，也是纽约硅巷（Silicon Alley）和英国剑桥硅芬（Silicon Fen）等众多地区仿效命名的灵感来源。

集成电路由罗伯特·诺伊斯和杰克·基尔比于1958年独立发明。诺伊斯于1990年去世，然而基尔比仍然因为诺伊斯的贡献获得了2000年的诺贝尔物理学奖。集成电路是数码电子产品的核心，尽管还有其他支撑技术，如用于磁盘的磁存储技术、用于CD和DVD的激光技术，以及用于网络的光纤技术。在过去的50或60年里，这些技术都经历了尺寸、容量和成本上的突破。