（一）初识：算力、芯片、晶体管

何为算力，算力有极限吗

算力，顾名思义，就是计算的能力。
今天的人们用OPS来衡量算力的大小，即
Operations Per Second每秒运算的次数。
例如：1OPS表示每秒运算1次

今天，一枚芯片的算力从十万亿ops到百万亿ops，最多能达到千万亿。
那么，如此巨大的每秒计算次数，是否意味着这样的算力能够解决任何运算问题呢？
答案是，远远不够。
1000万亿的OPS甚至无法预测一杯水里每个分子的运动。
那么，它能够预测多少水呢？
答案是，一滴水
中的一个大分子。
这就是目前人类算力的极限。

算力是如何提升的？

那么，一次运算所使用的物质的物理单位究竟是什么呢？
一个计算器？
如果我们拆开一个计算器，就能看到里面有1000多个晶体管。它们才是计算得最小单位。
只能表示两个数字，0和1.

我们生活中的许多运算设备其实都是二进制的。就按也就是利用二进制实现。
提升算力，本质上讲就是需要想办法把这些构成运算的晶体管变小。这样一来，单位面积的芯片里，就能放下更多的计算器，拥有更大的算力 。

晶体管是什么？

这是宏观上看一个晶体管的样子：

这样的一个形状似乎不太容易理解里面的内部结构，我们不妨先从一个完整的芯片图纸出发。

一个完整的芯片图纸大抵是长这样：

它们叫GDS版图，
这些GDS版图往往是企业的最高机密，我们无法轻易得到。

然而，由于一些硬核发烧友具有伟大的开源精神，他们将一些上世纪的老芯片的版图，进行了复刻，上传到了Github上，我们才得以见到芯片版图的真容。这些芯片的版图如下图示（图中展示MOS 6502的版图局部）：

而晶体管就被抽象成了这些具备蕴含信息能力的小绿块。

这些平面图纸其实包含了三维信息。
当我们把它变成三维的视图，它是这样的：

隐藏掉上面的部分（相当于电路中的导线），露出来的就是最核心的计算部分，也就是——晶体管。

晶体管像一个开关，能够在到点和绝缘两种状态之间反复切换。
而决定它是开还是关的东西，是这里的电压：

在处理器芯片中只有两种电压。
高电压（导通，1）和低电压（关闭,0）
电压是被加载在这块导电金属上的，它叫做栅极：

一会儿绝缘的一会儿导电的地方时下方的半导体，其实就是 硅 本身。
而硅里面掺杂了不同原子。
根据掺杂原子的种类不同，半导体部分又被分为源极、漏极、衬底。

在不通电的情况下，由于源极和漏极掺入了不同的原子，对于源极和漏极，它们本身是导电的，但它们之间的区域并不导电。

但随着电压的施加，二者中间原本不能导电的地方，慢慢可以导电，将源和漏导通在一起。

我们称这条变得可以通电的地方叫导电沟道。
虽然名字叫沟道，其实，它是半导体表面，一个非常薄的，可以导电的薄层。

通常，人们用导电沟道的长度代表晶体管的工艺。
比如，常见的32nm工艺，说的就是这里。

至此，我们可以理解，什么是晶体管。
一个控制电压的开关，对应电脑中的一个信号1或者信号0，计算的最基本单位。某种程度上单位面积内晶体管的数量，决定了这块芯片计算的性能。

未来，算力就是生产力

现在，小到一次计算器的使用，刷一次短视频，回一条微信消息，大到训练一个大模型，制造一个大的云服务平台，都离不开算力。
某种程度来说，算力，已经成为了一种生产力，
而我们拥有的晶体管数目，就是一种资产。
而更强的算力意味着更多的晶体管，也就是更多更大的显卡（更多的芯片）。

未有晶体管之前

在未有晶体管之前，人们的计算，其实是使用的一个叫做电子管的东西。它也是一个电压控制的开关。在那个时代，人们同样也是将电子管的数量往更多更大的方向是延展。

然而，这样一直“大”下去，真的不会出现问题吗？
这其实就意味着，在电子管的时代，个人存储设备就不存在了。
没有了PC，没有手机。
算力将不再属于个人，而是被大的机构垄断和控制。

然而，这样的事情并未发生。
原因是，科学家并不只是盲目地堆砌这些电子管，而是发明了更高效的管道。
同理，科学家们也并不只是盲目增加晶体管的数量，而是从结构上，提升了芯片的性能。

在下一节的内容中，我将为大家介绍芯片（晶体管）的性能如何提升的。