简单易懂的底层知识 —— 计算机的0和1是怎么产生的？

我们知道，在计算机的世界里，只有1和0。从简单的数学运算，到画面美爆的3D游戏，都是由数不清的0和1构成的。颇有点道家的 “ 一生二，二生三，三生万物” 的感觉。我们也大概知道，用高电位（如+5V）去表示1，用低电位（如+0V）去表示0。那么如何控制高低电位的输出呢？

相信很多人还记得小学时学的计算机基础课，第一台计算机ENIAC（埃尼阿克）于1946年在美国宾夕法尼亚诞生，它由将近18万个真空管（电子管）组成，重大30吨，耗电量惊人。

ENIAC使用真空管来完成高低电位的输出。真空管是二极管的前身。在一个真空玻璃管中放置两个电极，就构成了真空管。通过给阴极施加电压，使其温度上升来释放电子。

此时若阳极处于一个稍微高一点的电位，真空管内的自由电子就会被吸引过去，将电路联通。

可以通过对阴极施加不同大小的电压，来控制阴极释放的电子的数量，从而控制电路的联通与否。以此来产生01信号。

真空管的改进版，是在真空玻璃管中间添加一个栅极（Grid）。通过对栅极施加不同的电压，使得它阻断或加强电子的流动，从而得以实现对电流的快速控制。

然而，真空管体型比较笨重，并且它是通过对阴极加热，来使得阴极释放电子，所以它比较不稳定，容易出现故障，并且耗电还高（想象一下计算机里的每个01信号都是通过对一个电灯泡进行加热来控制，而ENIAC就由将近18万个这样的灯泡组成）。不禁想起了三体里所描绘的人形计算机阵列，吓死宝宝了。

后来，聪明的科学家就发现了晶体管。

它使用了半导体来代替电极。4价硅，掺杂一些5价磷，来制造一个电子发射极NMOS（Negative Metal Oxide Semiconductor）；4价硅，掺杂一些3价硼，构成了电子接收极PMOS（Positive Metal Oxide Semiconductor）。将P和N排列在三个交替层，构成了NPN型晶体管。每一层都带有一个Terminal。构成电子发射极（Emitter），基极（Base），电子接收极（Collector）。

电子从Emitter流到Base，产生的电流，称为基极电流（Base Current）

电子从Emitter流到Collector，产生的电流，称为集电极电流（Collector Current）

当我们施加一个微弱的电压在Emitter和Base之间，让它们之间形成电流，就会导通这个晶体管，在Emitter和Collector之间产生一个很大的电流。通常来说，在Emitter和Base之间施加一个>0.7V的电压，即可导通晶体管，产生高电位，再通过模数转换，变为信号1；

施加一个<0.7V的电压，晶体管不导通，产生低电位，即为信号0。

通过这种微弱的电压变化，来控制输出1或0。

相比于真空管，晶体管的优点在于它体积非常小，并且效率高（真空管需要通过加热阴极释放电子，而晶体管不需要加热，只需要控制微弱的电压变化，因为不需要加热，晶体管也更耐用，能耗也更低）。现代计算机的CPU芯片只有指甲盖大小，上面却布满了几十亿个晶体管，每秒可以进行上万亿次计算。一个主频为2.4GHz的CPU，简单地来讲，理论上每秒可以进行2,400,000,000次运算。

通过不断地断电，通电，来推动CPU一步一步地执行计算。一次通电断电，可以简单地认为是一个时钟周期，这个是通过时钟发生器来控制的，一个时钟发生器，每秒能振动多少次，就是他振动的频率，即时钟频率。时钟发生器也叫晶振，全称晶体振荡器，是从一块石英晶体上切下的薄片，再进行加工制成的。晶振为CPU提供了基本的时钟频率，它一下一下的振动，就像一颗搏动的心脏。

参考视频：
https://haokan.baidu.com/v?vid=16026741635006191272&pd=bjh&fr=bjhauthor&type=video