晶體管是調節計算機、手機和所有其他現代電子電路運行的基本構件，是CPU的基本單元。晶體管可以獨立封裝，也可以小面積封裝。集成電路可以容納1億個或更多的晶體管。

眾所周知，電子元器件中的晶體管是一種半導體器件，常用于放大器或電控開關中。晶體管是調節計算機、移動電話和所有其他現代電子電路運行的基本組成部分。同時，晶體管是CPU的基本單元。晶體管可以獨立封裝，也可以小面積封裝。集成電路可以容納1億個或更多的晶體管。CPU主要包括邏輯運算單元、控制單元和存儲單元。本文將詳細介紹 CPU中有多少個晶體管以及CPU的工作原理。

一、晶體管簡介

晶體管一般是指所有以半導體材料為基礎的單個元件，包括二極管、三極管、場效應晶體管、晶閘管等。晶體管有時也指三極管。晶體管主要分為兩類：雙極晶體管(BJT)和場效應晶體管(FET)。三極管有三極;雙極晶體管的三個極由N型和P型發射極、基極和集電極組成;場效應晶體管的三個極是源極、柵極和漏極。

晶體管是調節計算機、手機和所有其他現代電子電路運行的基本組成部分。由于其快速響應和高精度，晶體管可用于多種數字和模擬功能，包括放大、開關、電壓調節、信號調制和振蕩器。晶體管可以單獨封裝，也可以在很小的區域內封裝。

1947年12月，由美國貝爾實驗室的肖克利、巴丁、布拉頓組成的研究小組研制出點接觸鍺晶體管。晶體管的出現是 20 世紀的一項重大發明。晶體管出現后，人們可以用體積小、功耗低的電子器件來代替體積大、耗電的電子管。晶體管的發明為集成電路的誕生吹響了號角。20世紀前10年，半導體材料已用于通信系統。20世紀上半葉，廣受無線電愛好者歡迎的礦石無線電，將礦石作為半導體材料進行探測。半導體的電氣特性也被用于電話系統。

二、前幾代 CPU 晶體管數量

摩爾定律是由英特爾創始人之一戈登摩爾提出的。在價格不變的情況下，集成電路上可容納的元件數量每18-24個月翻一番，性能翻一番。換句話說，每 18 到 24 個月，一臺可以用 1 美元購買的計算機的性能將增加一倍以上。這條規律揭示了信息技術進步的速度。盡管這一趨勢持續了半個多世紀，但摩爾定律仍應被視為觀察或推測，而不是物理或自然定律。

(1) 1999 年 2 月：Intel 發布Pentium III處理器。Pentium III 是 1 × 1 個帶有 950 萬個晶體管的方形硅片，采用英特爾的 0.25 微米工藝技術制造。

(2) 2000年，Pentium 4 Willamette，生產工藝為180nm，CPU晶體管數量為4200萬個。

(3) 2002年1月：Intel Pentium 4處理器推出，高性能臺式電腦可以達到每秒22億次循環。它采用英特爾的 0.13 微米工藝技術生產，包含 5500 萬個晶體管。

(4) 2003年3月12日：英特爾迅馳移動技術平臺誕生在筆記本電腦上，包括英特爾最新的移動處理器奔騰M處理器。該處理器基于全新的移動優化微架構，采用英特爾 0.13 微米工藝技術生產。它包含 7700 萬個晶體管。

(5) 2005年5月26日：英特爾首款主流雙核處理器——英特爾奔騰D處理器，擁有229,999,999個晶體管，采用英特爾領先的90納米制程技術。

(6) 2006年7月27日：英特爾酷睿2 雙核處理器誕生。該處理器包含超過2.9億個晶體管，采用英特爾的65納米工藝技術。它是在世界上幾個最先進的實驗室生產的。

(7) 2007年1月8日：為擴大四核PC對主流買家的銷售，英特爾發布了英特爾酷睿2四核處理器和另外兩款用于臺式電腦的四核服務器處理器，處理能力為65納米。Intel Core 2 四核處理器包含超過 5.8 億個晶體管。

Intel Core 2 四核處理器

(8) 2010年推出的Corei7 980X，生產工藝為32nm，晶體管數量為11,699,999,999。

(9) 2013年推出的 Core i7 4960X ，制程22nm，晶體管數18.6億。

三、為什么晶體管越多的CPU越強?

CPU就像一個存放開關的大工廠。每個晶體管都是一個開關，即關閉時為0 ，打開時為1。晶體管越多，開關就越多。當你處理同樣的問題時，你選擇的路線越多，循環的線路就越多。

同樣，CPU 的晶體管越多，單位時間內流過的分支電流就越多。從宏觀角度來看，CPU 上可以處理的數據越多，機器的速度就越快。

CPU主要包括邏輯運算單元、控制單元和存儲單元。邏輯運算和控制單元中有一些寄存器。這些寄存器用于在CPU處理數據的過程中臨時存儲數據。

CPU制造是一個非常高精度的過程，必須借助機械來完成。從晶圓上切割下來的晶體管將通過機器打印在 CPU 底座上。將檢查每個印刷基地，以消除有缺陷的產品。然后加上shell接口就成為我們常用的處理器產品。

四、CPU是如何工作的?

眾所周知，CPU是計算機的“心臟”，是整個微機系統的核心。因此，它往往是各種等級微機的代名詞，如286、386、486、奔騰、PII、K6到今天的PIII、P4、K7等等。回顧CPU的發展歷史，CPU在制造技術上已經有了很大的提升。主要體現在越來越多的電子元器件的集成上。從最開始集成數千個晶體管到現在的數百萬和數千萬個晶體管。他們如何處理數據?

1、CPU的原始工作模型

在了解CPU的工作原理之前，我們先簡單的說一下CPU是如何產生的。CPU 采用純硅材料制造。一個 CPU 芯片包含數百萬個精密的晶體管。人們使用化學方法在硅片上蝕刻或光刻晶體管。因此，CPU 是由晶體管組成的。簡單地說，晶體管是微型電子開關。它們是構建 CPU 的基石。您可以將晶體管視為電燈開關。它們有一個操作位，代表兩種狀態：開和關。這種通斷相當于晶體管的接通和斷開。這兩個狀態對應于基本狀態“ 0 ”和“ 1 ”” 二進制。這樣，計算機就有了處理信息的能力。但不要以為簡單的“0”和“1”兩態晶體管的原理很簡單。其實他們的發展是得到了經過科學家們多年的苦心研究，在晶體管出現之前，計算機是靠速度慢、效率低的真空管和機械開關來處理信息的，后來科學家把兩塊晶體放入一個硅晶體中，從而創造了第一塊集成電路。

看到這里，你一定想知道，晶體管是如何使用“ 0 ”和“ 1 ”這兩個電子信號的十進制數字中的1在二進制模式下也是“1”，在二進制模式下2是“10”，3是“11”，4是“100”，5是“101”，6是“110”等等，它構成了計算機工作中使用的二進制語言和數據。可以組合成組的晶體管來存儲數值，以及執行邏輯和數字操作。

2、CPU的內部結構

CPU中的晶體管

現在我們已經大致知道 CPU 負責什么，但是哪些組件負責處理數據和執行程序呢?

1) ALU (算術邏輯單元)

ALU是算術單元的核心。它以全加器為基礎，輔以移位寄存器和相應控制邏輯組成的電路。在控制信號的作用下，可以完成加減乘除四種運算和各種邏輯運算。剛才說了，這相當于工廠里的生產線，負責計算數據。

2)RS(寄存器組或寄存器)

RS本質上是數據在CPU中臨時存儲的地方。它存儲等待處理的數據或已處理的數據。CPU訪問寄存器的時間比訪問內存的時間短。寄存器的使用可以減少CPU訪問內存的次數，從而提高CPU的工作速度。但是由于芯片面積和集成度的限制，寄存器組的容量不可能很大。寄存器組可分為特殊寄存器和通用寄存器。通用寄存器用途廣泛，可由程序員指定。通用寄存器的數量因微處理器而異。

3) 控制單元

就像工廠的物流配送部門一樣，控制單元是整個CPU的指揮控制中心。控制單元由指令寄存器IR、指令譯碼器ID、運算控制器OC三部分組成。協調整臺計算機的有序工作極為重要。根據用戶的預編程程序，控制單元從寄存器中取出每條指令。反過來， 寄存器把它 在指令寄存器IR中，通過指令譯碼(解析)確定應該執行什么操作，然后按照確定的時序操作控制器OC，向相應的部分發送微操作控制信號。運算控制器OC主要包括節拍脈沖發生器、控制矩陣、時鐘脈沖發生器、復位電路、啟停電路等控制邏輯。

4) 巴士

就像工廠中各個部件之間的通訊通道一樣，總線實際上是一組電線，各種常用信號線的集合。總線用作“高速公路”，供計算機中的所有組件共同使用以傳輸信息。與CPU直接相連的總線可以稱為本地總線，包括DB(數據總線)、AB(地址總線)、CB(控制總線)。其中，數據總線用于傳輸數據信息;地址總線用于傳輸CPU下發的地址信息;控制總線用于傳輸控制信號、定時信號和狀態信息。

3. CPU 工作流程

CPU由晶體管組成，是處理數據和執行程序的核心，即中央處理器. 首先，CPU的內部結構可以分為控制單元、邏輯運算單元和存儲單元(包括內部總線和緩沖區)三部分。CPU的工作原理就像工廠對產品的加工：進入工廠的原材料(程序指令)由物料配送部(控制單元)調度，送到生產線(邏輯運算單元)生產成品。產品(加工數據)，然后入庫(存儲單元)，最后等待上市銷售(供應用程序使用)。在這個過程中，我們注意到從控制單元開始，CPU 開始了正式的工作。中間過程是通過邏輯運算單元進行算術處理，

4. 數據和說明

現在，讓我們看看數據是如何在 CPU 中運行的。我們知道，數據從輸入設備通過內存流出，等待 CPU 處理。待處理的信息以字節為單位存儲，即以8位二進制數或8位為單位存儲。這些信息可以是數據或指令。數據可以是二進制表示的字符、數字或顏色。這些指令告訴 CPU 對數據執行哪些操作，例如完成加法、減法或移位操作。我們假設內存中的數據是最簡單的原始數據。一、指令指針將通知 CPU 將要執行的指令放置在內存中的存儲位置。因為內存中的每個存儲單元都有一個編號。可以根據這些地址取出數據，通過地址總線發送給控制單元。指令解碼器從指令寄存器IR中取出指令并將其翻譯成 CPU 的可執行形式。然后CPU 決定完成指令需要哪些必要的操作。它將告訴算術邏輯單元 ( ALU ) 何時計算，告訴指令閱讀器何時獲取值，告訴指令解碼器何時翻譯指令等 如果數據被發送到算術邏輯單元，數據將執行指令中指定的算術運算和其他各種操作。數據處理完成后返回寄存器，通過不同的指令繼續運行數據，或者通過DB總線發送到數據緩沖區。

基本上，CPU 執行三個基本任務：讀取數據、處理數據和將數據寫入內存。但在正常情況下，一條指令可以包含許多按明確順序執行的操作。CPU 的工作就是執行這些指令。完成一條指令后，CPU 的控制單元會告訴指令閱讀器從內存中讀取下一條指令并執行。這個過程連續快速地重復，一個接一個地執行指令，產生你在顯示器上看到的結果。在處理這么多指令和數據的同時， 由于數據傳輸時間的差異和CPU處理時間的差異，肯定會出現處理混亂的情況. 為了保證每一個操作按時發生，CPU 需要一個時鐘，它控制著 CPU 執行的每一個動作。時鐘就像節拍器。它連續脈沖并確定 CPU 的速度和處理時間。這就是我們熟悉的CPU的標稱速度，也就是我們常說的主頻。主頻值越高，CPU工作速度越快。

5、如何提高CPU工作效率?

由于CPU的主要工作是執行指令和處理數據，工作效率將成為CPU的主要內容。CPU制造商也盡最大努力使用CPU來更快地處理數據。根據CPU內部的計算結構，有的廠家在CPU中再增加一個算術邏輯單元(ALU)或另設一個浮點運算單元(FPU)。它大大加快了數據操作的速度。在執行效率方面，一些廠商通過流水線或并行執行指令來提高指令的執行速度. 正如我們前面提到的，指令的執行需要許多獨立的操作，例如取指令和解碼。最初，CPU 必須在執行下一條指令之前執行上一條指令，但現在分布式電路執行它們的操作。也就是說當這部分電路完成一個作業后，第二個作業立即占用電路，大大提高了執行效率。另外，為了使指令之間的聯系更加準確，目前的CPU通常采用多種預測方法來控制指令以更高效地執行。

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審核編輯：湯梓紅