晶体管小知识

　　晶体管可能是现代史上最伟大的发明之一了。汽车上、电话里以及古登堡印刷机内，处处都有它的身影。它由威廉·肖克利（WilliamShockley）和他的团队于1947年在贝尔实验室发明。

　　简而言之，晶体管是一种控制电流运动的微小装置，但又不仅仅如此。它有着两个主要作用：其一，增强电子信号；其二，可处于开或关（1或0）的状态，必要时让电流通过或是阻断。

　　从音乐生日卡到汽车，再到个人电脑，实际上，晶体管如今充斥在现代电子学的方方面面。自1947年以来，植入电脑芯片的晶体管一年比一年便宜，这让电脑革命成为了可能。（这被称之为摩尔法则，由英特尔创始人戈登·摩尔20世纪60年代定义。他指出，制造业的好势头年年保持，以致于两倍数量的晶体管植入电脑只需花费以前费用的一半。）

　　简单的逻辑门大概包括20个晶体管，与之相比，现代电脑（2006年左右）的高级芯片包含的晶体管高达10亿个。

　　我母亲也对我帮助颇多。三年级时，当我开始在学校做数学卡片游戏时，妈妈与我在前一个晚上练习乘法。结果我成了学校里在数学卡片游戏上能战胜女孩子的唯一男孩。记得有位老师说：“哇，真是难以置信。以前我还从未遇到哪个男孩玩这个游戏胜了女孩子呢。”那是很高的评价。我认为女孩子们玩卡片游戏总是比男孩子稍胜一筹。那之后，我就认为：哇！我擅长数学，我要更努力地学习它。于是我越来越努力，尽量保持名列前茅。这才是让我在这么小的年龄便出类拔萃的真正动力，它驱使我保持第一。

　　思可可小姐是我四五年级的老师，她高度赞扬我的科学工程，仿佛就因为我懂得科学便成了班中最聪明的孩子。亲爱的老师，正如您所预言，不久我就飞速成长。六年级时我就做出了大多即使有着高水平电子学的孩子也不能做出的工程。我很幸运遇到我所有的老师，尤其是思可可小姐。她恰好在我生命中最需要她的时候出现。

　　那一时期，还有一份意外幸运——我在父亲闲置的旧的工程期刊上，发现了一篇讲述电脑的文章。在1960年，这样的文章非常罕见。但是，我却看到一篇有关ENIAC并附了图片的文章。ENIAC代表着ElectronicNumericalIntegratorAndComputer（电子数字积分计算机），被许多人定义为第一台真正的电脑。二战期间，人们设计出它，在军事上运用于计算弹道。因此，它设计于20世纪40年代。

　　这本期刊刊登着各种各样巨型电脑的照片并附文描述。那些电脑不同于我以前所见的任何事物。一张照片显示了一个类似电视显像管的巨大圆形管，文章解释说这就是巨型电脑储存数据的地方。它用的是一种磷灯，当磷灯处于开或关时，它就能读出（就如现在的电脑将数字1或0理解为开或关一样），然后它又很快重置。文章说道，这实际上是一种储存数据的方式，我对此产生了强烈兴趣。而那时我只有11岁。

　　在那一刹那，我就意识到这些初级电脑会开始产生难以置信的变化。当然，那时世界上还没有地方做出人们能够负担并且便于使用的电脑。更无人谈及，买台电脑放在家里，自己学会如何使用的问题。我认为那将会是最美好的事情，这是我的梦想。这个梦想，我将其放于首位，因为它是驱使我多年努力的唯一动力。“如何让美梦成真”是我坚持不懈地思考的问题。

　　那一时期，电脑发生了如此之多难以置信的事情，如果我不是因为太过害羞而整天在家阅读杂志，我将永远都不知道。惊讶的是那时我还很小，我竭尽所能地找到父亲那些包含这些内容的期刊。这种书大多数人都从未看到或毫无兴趣，因为它瞄准的读者群是政府高级工程师。

　　从那以后，我沉溺于此，并开始反复阅读这类杂志。记得有一天我发现一篇讲述布尔代数的文章，这是电脑所用到的一种数学。我从中学习到笛摩根定理，而布尔代数则以此为基础。因此，五年级时，逻辑成了我知识体系中的核心部分。我学习方程及其运用，这样我就可以在逻辑方程中替换“与”和“或”。例如，在逻辑运算中，如果一个词既以元音开始又以元音结束，那么方程就是“与”——开始与末尾都是元音。这就是布尔代数中的“与”运算。但如果一个词以元音开始却未以此结束，再或者相反呢？这就是布尔代数中的“或”运算了。

　　这些杂志中还有“与门”和“或门”的图表。我复制下来，学着以标准方式画出它们。例如，一个半月图形，中间加上一点就表示“与门”。如果以加号代之，则是“或门”。然后我还学习了如何表示变极器——一个顶朝右的三角形，顶端再画上一个小圆圈。有趣的是，我至今还将相同的标志运用于自己的电子设计中，而它们却是我五年级时于卧室床前所学会的。

　　以下才是那时让我惊讶的事情。当时我自己想着：嗨，以我如今五年级的数学水平，就能学着将数学运用于电脑了——笛摩根定律和布尔代数。任何人都可以学习布尔代数，而他们不会需要比我五年级时更高的数学水平。我发现电脑很简单，这让我勇往直前。电脑——我认为世界上最难以置信的产品，有着最先进的科技，几乎超过所有人所能理解的范围，而我这个五年级学生却认为它容易理解！我爱上这种感觉，决定以后从逻辑和电脑中找到乐趣。我甚至不确定那是否可能。

　　那时你若想玩电脑，几乎不太可能，就如你想成为宇航员一样困难。事实上，1961年还没有宇航员呢！两者机会同样渺茫，但逻辑则不同。我总觉得它很简单，并且会永远如此。

　　这样，电脑便成了我生活中的重心。实际上，我成了世上最擅长于电脑逻辑的人（当然我不能完全确信，也许有些大学里的高人很擅长思考怎样应用笛摩根定律）。但直到我设计出第一台苹果电脑时，逻辑仍是我的生命。我知道这听起来难以置信，但是当时，我的确着迷于逻辑以及一切与之有关的东西。

　　上小学和初中时期时，科学工程对我意味着“酷”——如果你做过，人们对你就不再陌生，如果获取奖项，人们都会祝贺你，因此我总是接受祝贺。我的那些漂亮的科学工程至今仍让我引以为豪。我们这里讲了3、4、5、6、8一共5个年级。（因为某种原因，我在七年级时未能参与工程）这些工程难度很大，大过许多比我高年级的孩子能进行的工程，我也清楚这一点。我将一些科学工程放在一起，显示并解释给伙伴们和裁判们。我就如英雄般凯旋，赢得各种各样的奖品，其中包括湾区科学大奖赛的最高荣誉。

　　科学大奖赛让我感受到自己的角色以及此后在世界上的角色，而我仅需要用自己的较好作品去参加就会收获良多。老师们立即认识到我的与众不同。因为科学大奖赛上那些成功的工程，一些老师甚至叫我“科学迷”。也许正因如此，我在六年级就在做一些连高中生甚至都还不懂的电子工程。各种各样的认可和成就让我坚持自己所做的事，直到它们成为我的成就。

　　我在三年级时第一次参加科学竞赛并且获胜，但那项工程实际很简单。基本上我就是把这些小装置和一盏灯、一对电池以及一点电线全部安在一张木板上，就成了一个闪光灯！许多人都惊讶于此，然后我就取得胜利。这并没有什么，因为在我心里那很平常，而且我知道下次会做得更好。

　　四年级时，我做了第一项让我以后受益匪浅的工作，从中我学到许多——物理学、电子学和工程材料。那是一个实验，用以检测，当你将两根碳棒沾取任何液体后会发生什么。而碳棒是通过电线与电灯及交流电插座相连。沾上液体后的碳棒因为液体的作用而成为了“电线”。它既可是好“电线”，又可是坏“电线”，也就是它既可很好地传导电流，也可很弱地传导电流。根据灯光的明暗，你就能知道液体传导电流的强弱。

　　我使用过每一种能找到的液体——水、可口可乐、冰茶、果汁和啤酒等等。哪种液体传导得最好呢？

　　之后的一个实验，才是真正的大实验。我建造了一个巨大的电子模型，在周期表上向人展示92种元素的原子中电子的状态。

　　如果你不记得，那我告诉你，电子绕原子中心呈轨道运行，就如行星围绕太阳一样。例如，地球和海王星就有着完全不同的轨道。

　　我的工程旨在用开关的滴答声来演示有多少电子在周期表上围绕着同一原子核运动，而原子核周围又有着多少轨道。例如，我打开氢的开关，离代表原子核的小孔中心最近的轨道就会有灯亮起，

　　为了这项工程，我必须在1张大铝皮上钻上92个孔，全部到底。每一个孔都要让开关与每一种元素相连。有的是氢，有的是金，有的是氦等等。

　　然后，我画了一副非常巨大的图画，类似公牛眼大的靶子——各种颜色的同心圆，中间的小靶心代表原子的中心，即原子核。我还不得不在其上钻上92个孔，许多都在同一轨道，与原子中的电子相对。

　　结果便是，我可以向你展示92种自然元素中的任意一种的电子。我们先说说氧吧。我打开氧的开关，代表围绕氧原子核运转的电子的8盏灯就会亮起来，全都在正确的轨道上。那时我知道正确的轨道该在哪儿，因为我使用了一本大型参考书，叫做《理化手册》（TheHandbookforChemistryandPhysics）。这项工程最终变得相当复杂，因为那时我要对付所有92种元素，以及92种不同设置的开关。

　　最后我不得不用上父亲教我的二极管知识，也就是我曾学习的第一种电子零件知识。与电阻不同，二极管宛如一条道路。你可以用它传递电子——也就是电流——但仅有一条道路，电流可以通过，但不再回来。如果你要试着让电流返回，它就会让所有电路短路。这就是我所面临的问题。因为，当我尝试打开某个中间元素和它的电子时，却出现一个反馈路径让人激动地打开了一串下级元素和一些并不属于那儿的电子。不管怎样，我需要解决这个问题，而那也让我学会了有关二极管的一切。

　　在这场演示中，我还展示了收集的大量元素，包括铍制广口瓶、铜片，甚至一瓶水银。我的许多样本都是由圣·荷塞州的一位教授捐赠给我的。

　　是的，我又赢了。第一名，蓝色带子。真是很酷。

　　但这并不是最重要的。现在回头想想，我会把它作为一次惊奇的学习之旅，不过很是经典。父亲引导我，然后由自己完成。而父亲出于信任，从未尝试教我一些有关重力和质子间电力的公式，或是类似于此的质子与电子之间的力，这些都超出了我当时的理解能力。父亲从不试图强迫我跳跃前进，因为很多知识我还没有学过，而且还没准备达到那样的知识水平。

　　六年级时，我学习如何建立“与门”和“或门”，这是电脑技术的基石。数字电路能辨识一切——我所谓的一切是以“开（1）”和“关（0）”为基础的。

　　我的确对逻辑运算着迷。很早时父亲就曾通过纸、笔、井字游戏来帮助我理解逻辑的概念。如果你懂得逻辑，在游戏中就会永远不败。这后来成了我的下一项工程：井字游戏机器。我所构建的机器从来也不会输。那完全是个逻辑游戏，但也是个心理游戏，因为你能打败所有自以为是的人。如果这儿有一个X，其他地方又有另一个X，结果是什么呢？这块夹板布满了零件，这可是个巨大的工程，而实施这样的工程是学习工程学的重要部分。

　　做一项长期工作并非简单迅速得像闪光灯一样，而是需要好几周的时间投入进去，这会真正展示出你已精通的某些知识。例如，创造一台逻辑运行兼计算机化的井字游戏机器。

　　然而，不幸的是，这次我却没有胜利。机器出问题了。比赛前的晚上，有些晶体管开始冒烟，显然有零件出了问题。我知道总能找到发生故障的设备，但已来不及参加竞赛。出于对胜利的期待，我倍感遗憾。从小我便希望自己做到最好。而我也的确能做到，真是幸运。

　　当时我就认为，这不过是一场科学大奖赛，没有更为重大的意义。而且我和父亲都清楚，我已完成了一台相当复杂、运转正常的逻辑机器。

　　换句话说，尽管我还是个孩子，但已经知道什么才是真正重要的东西。我对自己说：比起向别人展示科学大奖赛的奖品，知道自己的成果足以赢得奖品更为重要。关键在于，你自己学习并找到制作的方法。我就是完全在自己的学习过程中完成了井字游戏机器的，而且做得很精密，我至今为此骄傲。对我来说，重要的是工程，而非荣誉。

　　因此，通过将电子门放在一起，我就创建了井字游戏系统。将电子门连在一起形成一个吸引人的晶体管电路系统，便是我的想法。正如我所说的，各种各样的游戏让我发现规则。

　　八年级时，我所做的事情完全不同于以往。我把新成果称为“加减法机器”。除电脑之外，这是我设计过的事物中最精密的一种。这是因为它可以将加上或减去数字的结果显示在一面电子显示屏上，也因为它并不像井字游戏机一样是由一套逻辑门所构成。加减法都属逻辑，就像井字游戏一样，输入多个1和0，你就能计算出多个1和多个0的结果。

　　在建造规模和时间上，这台加减法机器都并不比井字游戏机复杂，但这项工程的目标更接近真正的计算，远胜于井字游戏机。每个人都在学校学习到加法和减法，但却没有人教井字游戏，因为它没那么重要。加减数字可以将人类送上月球，但井字游戏却做不到。

　　我的工程有一种功能，一种真正有用的功能。你可以输入数字，再加上或是减去一个数字，然后可以看到答案。

　　这台加减法机器大约一平方英尺大小。我在一块塑料板上钻满孔，再将商店买来的连接器插入洞中形成连接点。我在需要的地方插入连接器，再把晶体管和其他零件与之焊接。

　　我用10个小开关代表0和1，其他开关则不仅仅代表它们。所以，如果你想做3加2，在一排里你就必需拴牢最高一排最右边的两个开关（这等于0000000011，二进位数字就代表3）。然后，再拴牢最底下一排右边倒数第二个开关，这就代表2。在二进制里，就是0000000010。结果将以我所连接的灯光的形式显示。这个例子中，有2盏灯会亮——代表了0000000101，也就是5。同样的道理，可以让机器完成减法的运算。

　　此次经历中印象深刻的是，我运用了电子学、逻辑运算以及二进制理论，我还使用了焊接，我已将所有经验都融会贯通、综合运用了。我会解释二进制如何运作，其中如何运用加减法，然后我再解释二极管和晶体管如何构成门电路。其后我还会展示如何正确组合门电路形成单字节加法器（只能加0和1），并且经我简单修改，还可做减法。我还告诉裁判们自己解决了一个门电路之外的问题，就是将电阻转换为二极管使用。那才是电子学中真正的“知道如何做”。

　　一块板上有10个并排的加减法机电路来操作进位和借位，因此你就可以加或减大点的数字了，但要在1023以内。

　　其中有个插曲。在湾区科技大奖赛前一个晚上，我将自己的作品带去调试。有几个人告诉我展位，并问我是否愿意向他们介绍一下我的作品。我拒绝了，决定只在比赛当天才将故事一一道来。那时，我会有些害羞。现在回想，我猜自己也许因此让裁判们失望了。

　　当我于大赛当天现身时，几乎所有工程都已获得奖品。真不知道是如何评判的！我被光荣提名，但有三项展品拿到比我更高的奖励。我观察它们，心里想着比起我的作品，它们真是微不足道。这是怎么回事？然后我在大赛册子里发现这三项都是由学院选送的。

　　我觉得自己被骗了。但那晚，我向很多人展示了自己的机器并与他们交谈——我甚至觉得包括那些裁判——他们似乎也真正理解了我的工程有多么了不起。这样我就能解释自己如何运用逻辑方程式和门电路，以及我如何连接门电路和晶体管，再以二进制算术让整个机器运行起来。

　　之后，空军颁发给我湾区科学大奖赛的电子工程最高奖项，尽管我还只是个八年级学生，而参赛者年龄最大的已经十二年级。作为奖品的一部分，我有机会到特拉维斯空军基地参观美国战略空军指挥部。我还有机会享受一次非商业化喷气机的飞行，那可是我第一次坐飞机。我想那一刻我已迷上飞行。

　　如今回头看，加减法机器在我通往工程师的路上至关重要，成为我后来创建第一台个人电脑的起点。这是项大工程，首先，其中涉及一百多个晶体管，二百多个二极管以及二百多个电阻，另外还有继电器和开关。它的有效功能是加法和减法。

　　这些早期的工程磨练了我的耐心，这一点意义重大。从三年级到八年级的大多数工程中，我学到的东西越来越多，很多时候，我不用参考任何书籍就知道如何将电子设备连接在一起。有时，我对自己说，嗨，你可真幸运。早期学习一步一个脚印，仿佛为我指出了生命中的幸运方向。我学会不在乎结果，只在乎过程，尽力做好当下的事情。

　　当今工程学界并非每个人都明白这点。不论我在苹果公司还是其他地方，总会发现许多傻瓜，他们总想一步登天，而这是行不通的，从来如此。显而易见，这就是认知的过程。作为老师，你不能以自己的水平为准，企图让学生一步到位——这有助于教育自己的孩子以及一些五年级学生。我不断告诉他们：一步一个脚印。

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