“亞馬遜叢林里的蝴蝶扇動幾下翅膀就可能引起兩周后美國德州的一次颶風(fēng)……”
這句人人皆知的話最初用來描述非線性系統(tǒng)中微小參數(shù)的變化所引起的系統(tǒng)極大變化。
而在更長的時間尺度內(nèi)，我們所生活的這個世界就是這樣一個異常復(fù)雜的非線性系統(tǒng)……
水泥、穹頂、透視——關(guān)于時間與技藝的蝴蝶效應(yīng)
公元前3000年，古埃及人將尼羅河中挖出的泥漿與納特龍鹽湖中的礦物鹽混合，再摻入煅燒石灰石制成的石灰，由此得來了人類最早的水泥。
羅馬萬神殿
公元600年，學(xué)會了這一技法的羅馬人建造出了穹頂跨度43.3米的萬神殿，超越了自己的老師希臘人，也證明了古羅馬帝國的強(qiáng)盛與富足。
偶然發(fā)現(xiàn)水泥制作方法的那個古埃及人肯定想不到，自己的發(fā)明會在3000多年后、距離尼羅河2000多公里的地方成就一座人類建筑史的巔峰。
這是一次時間和地理跨度都極大的蝴蝶效應(yīng)。
時光荏苒，1400年代的文藝復(fù)興時期，當(dāng)時還是行會匠人的布魯內(nèi)列斯基在整理古代手稿時發(fā)現(xiàn)了羅馬人關(guān)于直線透視繪畫技法的論述。隨后，他將這一技法發(fā)揚(yáng)光大，并引領(lǐng)了整個文藝復(fù)興時代的繪畫創(chuàng)作。
《耶穌圣名禮贊》
這也直接促成了200年后喬凡尼·高里在羅馬耶穌教堂巨大穹頂之上創(chuàng)作出的透視繪畫技巧集大成制作——《耶穌圣名禮贊》。
同樣的，將基督教奉為國教的羅馬人也不會想到，800年后的畫家能夠?qū)⒕薮蟮鸟讽斪鳛楫嫴?，將圣潔的信仰如此美妙的展現(xiàn)在世人面前。
這是一次突破想象力框架的蝴蝶效應(yīng)。
而再過200年，一個關(guān)于金屬氧化物的偶然發(fā)現(xiàn)將再次掀起一場改變世界面貌的蝴蝶效應(yīng)……
數(shù)字時代的前奏
卡爾·費(fèi)迪南德·布勞恩博士
1874年，剛剛?cè)〉貌┦繉W(xué)位的卡爾·費(fèi)迪南德·布勞恩在研究震蕩電路的時候無意發(fā)現(xiàn)，削尖的方鉛礦具有電流的單向?qū)芰Α：笕藗兯熘牡V石收音機(jī)中的“礦石”二字正是來源于這一效應(yīng)，而這也是半導(dǎo)體的最重要特性之一。
當(dāng)時的物理學(xué)家還沒有發(fā)現(xiàn)量子力學(xué)，更不知道半導(dǎo)體的這一特性源自電子隧穿效應(yīng)；但這一意外的發(fā)現(xiàn)卻成為了數(shù)字時代樂章的第一個音符。
隨后的近100年時間里，在包括愛迪生、弗萊明、肖特基、貝爾實驗室等一系列力量的不斷研究之下，人們利用半導(dǎo)體接連造出了二極管、三極管并最終發(fā)明了場效應(yīng)管。
至此，人類終于湊齊了整個數(shù)字時代所需要的所有物理基石。
正如同ACGT四種堿基對能夠通過30億次的不同組合演繹出燦爛的人類文明一樣，通過場效應(yīng)管來組成的邏輯門電路也能夠通過數(shù)十億次復(fù)用形成極端復(fù)雜的功能。整個數(shù)字時代的正片也悄然開始。
解構(gòu)數(shù)字時代
作為邏輯電路的基本構(gòu)成，人們可以使用兩個場效應(yīng)管來制作一個非門，用4個場效應(yīng)管來制作一個與非門或者或非門……由此，人們便遍可以通過不斷地堆疊這些邏輯門來構(gòu)筑加法器、乘法器、存儲器和緩存。而更重要的是，通過簡單元件的不斷復(fù)用與堆疊，我們便可以將邏輯與算力賦于機(jī)器之上，成百萬上千萬倍的加速計算，讓人類能夠有精力去將更多不可能變?yōu)橥偈挚傻谩?/span>
當(dāng)然，我們在這里給出這些圖并不是期待大家能由此完成對《數(shù)字電路原理》的自習(xí)。展示這些電路圖只是要向大家展示，由場效應(yīng)管所組成的電路是如何一點一點實現(xiàn)加法、乘法和存儲的。
通過將上圖所展示的這些器件進(jìn)行無數(shù)次堆疊、組合，我們便能夠制造出具備強(qiáng)大能力的CPU、內(nèi)存和閃存（很多元件的結(jié)構(gòu)在實際應(yīng)用中會更加復(fù)雜以滿足特定需求）。然后，我們順理成章的將他們組裝成了一臺電腦。
在擁有了這樣一臺電腦之后，問題接踵而至。我們能用它做什么呢？
首先，我們需要建立一張編碼表，這張表定義了每一種可以輸入的字符以及他們所代表的數(shù)學(xué)含義。舉個例子，如果我們定義A為牛肉面、B為香菜、 為不要，那么“來碗牛肉面、不要香菜”的數(shù)學(xué)表達(dá)式就是AB（當(dāng)然，我們也可以把它變?yōu)锽A，表示“來碗香菜，不要面”。至于店老板會不會打人，那就不是計算機(jī)能處理的問題了）。
圖中符號編碼的意思是：任取一個數(shù)X，如果X是自然數(shù)，那么X的后繼也是自然數(shù)。如果將這些符號進(jìn)行編號，那么我們便能用數(shù)字來表達(dá)邏輯并實現(xiàn)某種程度的計算
于是，我們便可以使用這套編碼邏輯來構(gòu)建函數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)計算并輸出結(jié)果。
以這套強(qiáng)大的計算邏輯作為工具，我們便可以開始通過鍵盤輸入來構(gòu)建代碼，用代碼來實現(xiàn)功能，用功能來組成模塊，用模塊來架構(gòu)系統(tǒng)。再之后，Windows、Office和所有應(yīng)用軟件便大體只是時間與成本的問題了。
到這里，我們已經(jīng)梳理了從半導(dǎo)體到電腦再到軟件之間的關(guān)系。但這樣的結(jié)構(gòu)僅僅是當(dāng)今數(shù)字時代中的一個基礎(chǔ)原子。要想獲得數(shù)字時代中我們所擁有的一切，還需要一張能夠連通所有電腦的網(wǎng)絡(luò)以及在網(wǎng)絡(luò)中負(fù)責(zé)大規(guī)模處理和分發(fā)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)中心。
以春節(jié)之后宅在家點外賣的流程為例，買家需要打開手機(jī)中的外賣APP，開始接收服務(wù)器上的外賣菜單信息并在點餐完成之后將相關(guān)的訂單和付款信息提交給服務(wù)器；而餐館則需要向服務(wù)器上傳自家的菜單并接收服務(wù)器下發(fā)的用戶訂單及餐費(fèi)。
在這樣一套流程中，無論是買家還是賣家都不需要購買昂貴的服務(wù)器設(shè)備及承擔(dān)他們所帶來的電費(fèi)和維護(hù)成本，相反，他們只需要一臺相對很便宜的電腦或手機(jī)并支付網(wǎng)費(fèi)就能完成所有信息交換和最終的交易。當(dāng)然，買家所付出的餐費(fèi)當(dāng)中還要包含一部分給服務(wù)器運(yùn)營方的抽成。而在更復(fù)雜的商業(yè)實踐中，負(fù)責(zé)運(yùn)營外賣系統(tǒng)的平臺企業(yè)甚至也不需要購置自己的服務(wù)器，只需將開發(fā)好的軟件系統(tǒng)放在專業(yè)的云服務(wù)數(shù)據(jù)中心當(dāng)中運(yùn)行，并從自己的抽成中拿一部分給云數(shù)據(jù)中心即可。
如此這般，我們還可以將這套商業(yè)邏輯擴(kuò)展到打車、網(wǎng)絡(luò)游戲、遠(yuǎn)程辦公、直播等一系列領(lǐng)域。
而當(dāng)每個人的工作與生活中都充滿這樣的系統(tǒng)時，一個全新的數(shù)字時代便轟轟烈烈的到來了。
從微觀尺度的半導(dǎo)體到宏觀層面的數(shù)字經(jīng)濟(jì)大廈，結(jié)構(gòu)已成。
從沙子到半導(dǎo)體，一場遠(yuǎn)未結(jié)束的蝴蝶效應(yīng)
在解構(gòu)從微觀半導(dǎo)體元件到整個數(shù)字時代的過程中，我們刻意跳過了一個環(huán)節(jié)。那就是如何將電子元件做成CPU、內(nèi)存和存儲。
從最開始那些晦澀難懂的電路圖中我們就發(fā)現(xiàn)，即便是最簡單的加法器和乘法器都需要大量簡單元件的海量堆疊，而如果要實現(xiàn)更復(fù)雜的功能和更強(qiáng)大的計算能力，這樣的結(jié)構(gòu)勢必會大到無法想象。
第一臺電子計算機(jī)——ENIAC
實際上，第一臺投入實用的電子計算機(jī)就是一臺重達(dá)30噸、占地150平方米的龐然大物，而它的計算能力卻僅有每秒5000次。但即便如此，這臺計算機(jī)仍舊在當(dāng)時的炮彈彈道研究中發(fā)揮了極其重要的作用。
在看到計算機(jī)的廣闊應(yīng)用前景之后，人們開始研究如何將這30噸的大家伙給小型化。顯然，在這條半導(dǎo)體小型化的道路上，光靠心靈手巧和一副好視力是不行的。
“八仙童”，左一為戈登·摩爾
1950年代，8位才華橫溢的科學(xué)家在硅谷租下了一間小屋，并成立了仙童半導(dǎo)體。在這里，他們開始利用光刻技術(shù)制造小型化的半導(dǎo)體元件。這種光刻工藝可以理解為“逆向工作的投影機(jī)”。
首先，仙童們將一個高純度的硅片進(jìn)行表面的氧化，再覆上一層極薄的金屬層，然后是一層可以和特定波長的光波發(fā)生反應(yīng)并腐蝕金屬的光刻膠。之后，仙童們會將一張大尺寸的掩模（相當(dāng)于投影機(jī)中的膠片）投影到小尺寸的硅片上，一段時間之后，沒有被掩模圖案遮擋的光波便會引起硅片上的光刻膠腐蝕金屬，而沒有被照射的部分則會保留。而后，洗去光刻膠的硅片上便留下了腐蝕帶來的細(xì)小凹痕。通過離子注入，仙童們可以將其他物質(zhì)滲透進(jìn)凹槽之內(nèi)，形成構(gòu)建場效應(yīng)管所必須的P結(jié)（硼元素）和N結(jié)（磷元素）。
仙童半導(dǎo)體的第一代IC產(chǎn)品，場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)清晰可見
通過這一方法，仙童們的第一代產(chǎn)品在1961年誕生：在數(shù)個毫米的硅晶圓上集成了4個場效應(yīng)管和5個電阻。隨后，經(jīng)過不斷改進(jìn)工藝，仙童半導(dǎo)體已經(jīng)能夠在越來越小的硅晶圓上集成更多的半導(dǎo)體元件。1965年，仙童半導(dǎo)體創(chuàng)始人之一的戈登·摩爾終于在《電子學(xué)》雜志上發(fā)表了那個半導(dǎo)體領(lǐng)域中最著名的預(yù)言——摩爾定律。
1968年，8仙童中的羅伯特·諾伊斯和戈登·摩爾共同成立了英特爾公司。而通過在制造工藝、設(shè)計上的不斷探索創(chuàng)新，今天，英特爾已經(jīng)能夠制造出10nm大小的場效應(yīng)管。對比仙童的初代產(chǎn)品，如今的英特爾已能夠在指甲蓋大小的硅晶片上集成數(shù)十億個場效應(yīng)管，并用這樣的處理器、內(nèi)存、存儲等產(chǎn)品驅(qū)動整個數(shù)字時代所需的計算。
目前，作為全球最大的半導(dǎo)體企業(yè)，英特爾不僅在研究更先進(jìn)的架構(gòu)和制造更強(qiáng)大的處理器，更造出了容量更高且斷電不會丟失數(shù)據(jù)的內(nèi)容以及容量更大的閃存芯片。而借助在半導(dǎo)體領(lǐng)域內(nèi)無人出其右的深厚積累，英特爾更將自身對于半導(dǎo)體及整個數(shù)字未來的理解推進(jìn)到傳統(tǒng)半導(dǎo)體之上的領(lǐng)域，進(jìn)而構(gòu)建了以制程&封裝、架構(gòu)、內(nèi)存及存儲、互聯(lián)、安全、軟件為核心的六大技術(shù)支柱。
在這一戰(zhàn)略的支持下，我們不僅能夠在PC及服務(wù)器上看到英特爾的處理器，更能看到采用領(lǐng)先半導(dǎo)體技術(shù)的數(shù)據(jù)中心持久內(nèi)存、SSD硬盤、網(wǎng)卡、FPGA、ASIC、eASIC和AI加速芯片以及專為這些硬件優(yōu)化的英特爾驅(qū)動、開發(fā)工具和API程序。
這一切，不僅為了算的更快、存的更多，更為了這個偉大的數(shù)字時代。
回望145年前那塊呈現(xiàn)出單向?qū)щ娔芰Φ姆姐U礦，我們?nèi)耘f處在這場蝴蝶效應(yīng)的中心，并且，還遠(yuǎn)未到達(dá)頂點。
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