第440章晶体管

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    【神谕纪元·三二七七年（春）】
    大夏王都，计算机研究所。
    初春的清晨，室外的街道上还带着几分料峭的寒意，路两旁的树枝刚刚抽出新芽。
    神算三型机房内。
    几十台半人多高的工业风扇在一人高的黑色金属机柜间全速运转。
    试图吹散数以万计的电子管在工作时散发出的高温。
    即便通风系统已经超负荷运转，几名穿着单薄工作服的维护人员依然满头大汗。
    他们推着装满备用电子管和保险丝的木质推车，在犹如迷宫般纵横交错的通道里地梭。
    “啪——”
    一声轻微，却让所有人神经紧绷的玻璃破裂声，在机房内突兀地响起。
    紧接着，第三排机柜上方的一盏红色警报灯开始疯狂闪烁，原本正在有条不紊吞吐着打孔纸带的输入机，瞬间停滞。
    “第七阵列，三号柜，又烧了两个！”
    一名研究员快步跑到闪烁的红灯前，看着仪表盘上波动的电压数据，语气中透着疲惫与无奈。
    他拿起挂在机柜旁边的记录本，重重地画了一个叉，“主控台，切断七阵列电源。这组星际轨道方程的演算废了，停机，准备更换元件，重新排队验算。”
    这已经是今天的第四次非计划性停机了。
    随着大夏在空气动力学，超音速风洞模型以及多级火箭轨道计算上的需求呈指数级暴增，全国的科研压力几乎全都压在了这座地下的算力中心上。
    因为二型比三型运算速度落后太多，但是三型的产能又很慢，目前只有一台。
    于是神算三型的运算任务，已经被研究所的计划委员会排到了半年之后。
    为了追求更高的算力，这台机器的体积在过去三年里被不断放大。
    从最初的几千个电子管，堆叠到了如今令人咋舌的两万三千个。
    但这带来了一个令所有计算机学者难以解决的的物理层面的问题，工程学上著名的数字暴政。
    电子管的工作原理，是依靠内部的钨丝加热，在抽成真空的玻璃壳内发射电子流。
    这就注定了它的寿命有限，就像最普通的白炽灯泡一样，随时可能因为灯丝烧断或玻璃老化漏气而损毁。
    当两万多个电子管同时工作时，哪怕大夏的玻璃厂和电子元件厂将每个管子的故障率控制在惊人的万分之一，整台庞大的机器，每天也会有十几个到几十个元件随机损坏。
    而计算机是讲究绝对串联逻辑的机器。
    只要有一个关键节点的电子管烧毁，整个正在运行的可能已经耗费了几十个小时的计算程序就会瞬间崩溃，所有的数据化为乌有，一切必须推倒重来。
    “机器的体积，耗电量和水冷系统，都已经达到了这座建筑的物理极限。”
    计算机研究所的所长沈平，手里捏着一颗玻璃外壳已经发黑的电子管。
    感受着那烫手的余温，他无奈的揉了揉眼角。
    “航空航天局那边，甚至提出了要把计算机缩小到能装进火箭内部的异想天开的要求。可看看我们现在的机器……光是供电的变压器就有两层楼高。”
    沈平很清楚，沿着抽真空玻璃管和加热灯丝这条路继续往下走，大夏的计算能力已经彻底摸到了叹息之墙。
    想要突破这种笨重脆弱且耗电的物理桎梏，就必须寻找一种不需要灯丝，不需要玻璃外壳的全新开关。
    但这谈何容易。
    但转机，就出现在半个月后，大夏科学院组织的一次例行跨学科交流会上。
    ……
    大夏科学院，材料学研究所，半导体实验室。
    相比于计算机，材料学研究所的实验室就显得安静，整洁的多了。
    空气中飘散着各种化学试剂和酸洗液的气味。
    几个穿着白大褂的年轻学者，正守在一台特制的石英高温坩埚旁，对一批从各地矿山送来的特殊矿物进行着漫长而枯燥的提纯与导电性测试。
    自电磁学大兴以来，大夏的物理学界早就将物质粗略地分为了两大阵营。
    导体：如铜、铁、金、银，内部有大量的自由电子，极易导电。
    绝缘体：如橡胶、陶瓷、干燥的木头，几乎不导电。
    但在最近的高精尖材料精细提纯实验中，学者们注意到了一些位于周期表中间位置，性质古怪的元素。
    “沈所长，您来看看这个。这或许能解答您在交流会上提出的那个无灯丝开关的设想。”
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    材料学博士林华，将一份厚厚的数据报告递给了前来拜访的沈平。
    随后，他指着无尘实验台上，两块经过提纯，在冷光灯下泛着灰黑色金属光泽的细长晶体。
    “这是利用区域熔炼法，经过几十次反复提纯后的锗，那一块是硅。纯度达到了惊人的九个九。”
    “在常温且纯净的状态下，它们的原子排列紧密，共价键牢不可破。它们的导电性极差，几乎就是绝缘体。”
    “但是，当我们稍微提高环境温度，或者给它们施加光照。最奇妙的是，当我们在这些纯净的晶体中，人为地，微量地‘掺入’一些其他特定的元素，比如磷或者硼之后……”
    “它们的内部结构会被打破。磷会多出一个自由电子，而硼则会抢走一个电子，留下一个渴望被填补的空洞。这种微观层面的改变，让它们的导电性发生了千万倍的变化！”
    “它们不再是绝缘体，但也不同于金属那样的良导体。它们介于两者之间，且导电的方向和能力，完全可以通过我们人为的‘掺杂’来进行精确控制。”
    林华博士给出了一个物理学上的定义，“我们称这种物质为，半导体。”
    沈平戴上厚厚的近视眼镜，仔细端详着桌上那两块不起眼的灰黑色晶体。
    作为搞逻辑运算的专家，他敏锐地察觉到了其中的潜力，但并没有立刻明白这东西如何取代庞大的电子管。
    “这是极其美妙的材料特性。”沈平问道，“但林博士，它究竟能用来做什么？怎么做开关？”
    林华没有去解释，他转过身，从一个铺着天鹅绒的防静电木盒里，用镊子小心翼翼地夹起了一个微小的物件。
    那是一个只有黄豆大小的，被封装在黑色绝缘胶木里的固体元件。
    它的底部，伸出了三根比头发丝粗不了多少的金属引脚。
    “这是我们用掺杂了不同杂质的半导体材料，像三明治一样，一层一层紧密拼接起来的实验品。”
    林华将这个微小的元件，接入了实验台上一个精密的测试电路中。
    电路的两端分别连接着电源和一台灵敏的指针式电流计。
    “沈所长，您是最了解电子管的。在传统的玻璃真空管里，我们需要用几百摄氏度的高温烧红阴极，释放电子，然后用中间那个金属网栅极的微弱电压，去控制阴极飞向阳极的强大电流，从而实现信号的放大和逻辑的通断。这就是计算机计算的本质。”
    林华一边解释，一边手指轻轻搭在了一个小型的变阻器旋钮上。
    “现在，我们抛弃了真空，抛弃了高温，抛弃了玻璃。我们将同样的，甚至更微弱的电压，施加在这个半导体元件的中间那层夹心上。”
    说完，林华轻轻转动旋钮。
    “唰——”
    几乎没有任何延迟，甚至不需要像电子管那样等待几分钟的预热。
    旁边的仪表盘上，原本静止在零刻度的指针，瞬间偏转到了一个高数值区间！
    微小基极电流的细微变化，在跨越了这个固态晶体后，控制了另一端集电极庞大电流的导通与截止。并且，完成了惊人的倍数放大！
    沈平的目光落在那个跳动的仪表盘上。
    “没有加热灯丝……”
    沈平喃喃自语，伸出手指，摸了一下那个正在满负荷工作的元件外壳。
    “它是常温的，一点都不烫！没有脆弱的真空玻璃壳，不需要庞大的散热水管，不需要几百伏的危险高压电……”
    “它就在一块常温的，坚硬的固体内部，完成了两万个玻璃管子才能做到的放大和开关工作？！”
    “是的，沈所长。”林华看着这位失态的计算机泰斗，郑重地点了点头，“它内部没有真空，而是实实在在的晶体结构。所以，我们将这个小东西，命名为晶体管。”
    “哈哈哈！”
    沈平突然大笑起来，笑得眼泪都快出来了。
    作为大夏计算机领域的最高负责人，他比任何人都清楚这个黄豆大小的黑色固体，究竟意味着什么。
    它意味着，计算机不必再被困在地下室里忍受高温。
    意味着算力不再受到电子管寿命的诅咒。
    它意味着，那个被航空航天局问了无数次的能否把计算机装进火箭和卫星里的难题，在这一刻，有了最完美的答案！
    意味着，在这间材料学实验室里，大夏帝国正式跨越了真空管带来的计算机的黄昏，看到了崭新的，充满希望的黎明。

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