导语--我们知道，计算是人类的基本能力之一，也是科技、文明的基石之一，谁能算得快、算得准，谁就占据了科技发展的高点。现代文明的计算早已与计算机的算力深度绑定，这也是为什么作为计算机基石的半导体、芯片成为美国对我们打压限制的核心的原因，也是我们为了发展必须突破限制的原因。上篇文章我们自下而上讨论了半导体的物理原理，本篇文章我们将换一个角度，自上而下从计算机开始往下层层拆解，找出文明算力基石半导体大厦的基础是什么的答案。

我们从自上而下的角度去审视计算机就会发现，鼠标、键盘、显示屏等等这些外设设备都是计算机与外界进行交互的输入输出功能有关，与算力的代表--计算和控制无关。决定算力的核心在计算机板块上的CPU、GPU和存储器等芯片，而这一颗颗小小的芯片，可算是人类迄今为止最高智慧结晶，没有之一。我们继续往下拆解，去参观一下芯片内部的结构到底是什么样的。将芯片放大直至放大到一亿倍，我们就能去内部一探究竟。

目前芯片的制程已经达到了纳米级别，芯片上的晶体管小到只有几个原子或几个分子大小，而晶体管之间的导线只有头发丝的三千万分之一。一颗指甲盖大小的芯片内部却有如此纷杂繁复的结构，犹如《阿房宫赋》所言：“五步一楼，十步一阁；廊腰缦回，檐牙高啄；各抱地势，钩心斗角。盘盘焉，囷囷焉，蜂房水涡，矗不知其几千万落！”，芯片可以算是地球上最复杂、最难建造的大厦了。在这个大厦中，楼阁就是各种晶体管、电容、电阻器件，道路就是作为电流通路的导线。那么在这么多道路和楼阁中哪一个是最为关键的基础呢？

答案蕴藏在我们所知的另一个常识中，即计算机只能“读懂”0和1。0和1是最简单的两种状态组合，实际上，任何种类的信息也都可以通过两种不同状态的组合来表示，摩尔斯密码的“点、划”也与布尔代数的“0、1”没有本质区别。那么计算机是怎么读懂0和1并利用他们实现复杂、快速的运算呢？这就需要我们下沉到计算机的基本原理--布尔代数或称逻辑代数。布尔代数，是英国数学家G.布尔为了研究思维规律（逻辑学、数理逻辑)于和年提出的数学模型。我们可以将它简单理解为处理集合运算交集、并集、补集；和逻辑运算与、或、非（对应的计算机有三种基本的逻辑门与门、或门、非门），比如说我们读书时学的一真一假两个元素的与、或、非的运算结果就属于布尔代数。

因此实现计算机最基本最原始的工作原理布尔代数甚至都和电无关，而是一种数学原理，实现了布尔逻辑，就完成了计算机的绝大部分基础，任何可以改变状态传递信息的技术都可以拿来实现布尔逻辑，也都可以作为实现计算机的解决方案。事实上，科学家创造的第一台计算机，就是使用真空二极管实现了逻辑门而非半导体技术，只不过这种计算机大且笨重（第一台计算机ENIAC占地平方米、重达30吨）。为了解决这个问题，依赖半导体技术的计算机才应运而生。

在这个方案中，逻辑门通过建立电压表示单个“信息”，可能高电平（代表值“1”）或低电平（代表值“0”），这样也就实现了二进制。如今，逻辑门的计算能力已发展到压倒性强大的地步。主要由于任何特定门的输出都是电压，该电压又可以用来控制另一个门。因此可以通过在一个芯片中互连多达一百万个逻辑门来创建复杂的系统，来对内部的信息流做出复杂的决定，并且整个过程无需人为干预，也没有任何机械等活动部件。

我们继续往下拆解，逻辑门是如何实现和构成的呢？实际上，逻辑门有多种实现方式，包括二极管实现、开关实现、CMOS晶体管逻辑实现等，通过将多个或门级联也可以实现多输入的或门。当下电子计算机芯片的逻辑门实现是采用的二极管、晶体管逻辑实现由。这一方式中，逻辑门由特定的晶体管排列组成，流经栅极的电流会在电路的特定点建立电压，电压高低即为高电平、低电平，以此实现布尔逻辑。以下即为与门、或门、非门三种基础逻辑门的一种晶体管实现方案。

至此，我们知道半导体大厦的基础是二极管及晶体管，并已经通过两篇文章分别从自下而上和自上而下的角度去讨论半导体及计算机的数学、物理原理及计算理论。下周我们将通过第三篇文章，实现自下而上和自下而上的会师，打通理解半导体基本原理的最后一环，我们下周再见！