L0·10^0 – 10^1
晶体管
Transistor
核心抽象开关
一切复杂性的物理起点：一个可以控制通断的半导体器件。
学习进度：
What
晶体管是一种半导体器件，通过控制栅极电压来调节源极和漏极之间的电流。现代 CPU 中一个晶体管可以在纳秒级别完成通断切换。MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）是当前主流结构。
Why
在晶体管之前，计算依赖继电器（机械开关，毫秒级）和真空管（体积大、功耗高、易损坏）。晶体管将开关速度提升了 6 个数量级，体积缩小到微米级，功耗降低到毫瓦级。没有晶体管，就没有现代计算。
How
程序员不直接操作晶体管，但理解它有助于理解：为什么位是信息的最小单位（一个晶体管的二态）；为什么芯片发热（晶体管切换时的能量损耗）；为什么摩尔定律推动了计算革命（单位面积晶体管数量指数增长）。
Bottom-up：由下层如何构建
这是最底层，没有依赖。
Top-down：向上暴露什么接口
二态信号（0/1）信号放大电子开关
Programmer View：程序员视角
我能操作吗？
不可直接操作。通过编程语言和硬件描述语言（Verilog/VHDL）间接控制。
成本模型
| 指标 | 量级 | 备注 |
|---|---|---|
| 开关延迟 | ~10 ps（皮秒） | 现代 FinFET 工艺 |
| 功耗 | ~1 μW per transistor | 动态功耗，随频率线性增长 |
| 面积 | ~10 nm × 10 nm | 3nm 工艺节点 |
常见陷阱
- !量子隧穿效应：当晶体管尺寸缩小到 3nm 以下，电子可能穿过绝缘层，导致漏电流
- !散热问题：数十亿晶体管同时切换产生的热量需要复杂的散热方案