“亞馬遜叢林里的蝴蝶扇動(dòng)幾下翅膀就可能引起兩周后美國(guó)德州的一次颶風(fēng)……”

這句人人皆知的話最初用來(lái)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(zhǎng)的時(shí)間尺度內(nèi)，我們所生活的這個(gè)世界就是這樣一個(gè)異常復(fù)雜的非線性系統(tǒng)……

水泥、穹頂、透視——關(guān)于時(shí)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(lái)了人類(lèi)最早的水泥。

羅馬萬(wàn)神殿

公元600年，學(xué)會(huì)了這一技法的羅馬人建造出了穹頂跨度43.3米的萬(wàn)神殿，超越了自己的老師希臘人，也證明了古羅馬帝國(guó)的強(qiáng)盛與富足。

偶然發(fā)現(xiàn)水泥制作方法的那個(gè)古埃及人肯定想不到，自己的發(fā)明會(huì)在3000多年后、距離尼羅河2000多公里的地方成就一座人類(lèi)建筑史的巔峰。

這是一次時(shí)間和地理跨度都極大的蝴蝶效應(yīng)。

時(shí)光荏苒，1400年代的文藝復(fù)興時(shí)期，當(dāng)時(shí)還是行會(huì)匠人的布魯內(nèi)列斯基在整理古代手稿時(shí)發(fā)現(xiàn)了羅馬人關(guān)于直線透視繪畫(huà)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(gè)文藝復(fù)興時(shí)代的繪畫(huà)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(huà)技巧集大成制作——《耶穌圣名禮贊》。

同樣的，將基督教奉為國(guó)教的羅馬人也不會(huì)想到，800年后的畫(huà)家能夠?qū)⒕薮蟮鸟讽斪鳛楫?huà)布，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(guò)200年，一個(gè)關(guān)于金屬氧化物的偶然發(fā)現(xiàn)將再次掀起一場(chǎng)改變世界面貌的蝴蝶效應(yīng)……

數(shù)字時(shí)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(shí)候無(wú)意發(fā)現(xiàn)，削尖的方鉛礦具有電流的單向?qū)芰?。后人們所熟知的礦石收音機(jī)中的“礦石”二字正是來(lái)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(shí)的物理學(xué)家還沒(méi)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(shí)代樂(lè)章的第一個(gè)音符。

隨后的近100年時(shí)間里，在包括愛(ài)迪生、弗萊明、肖特基、貝爾實(shí)驗(yàn)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(chǎng)效應(yīng)管。

至此，人類(lèi)終于湊齊了整個(gè)數(shù)字時(shí)代所需要的所有物理基石。

正如同ACGT四種堿基對(duì)能夠通過(guò)30億次的不同組合演繹出燦爛的人類(lèi)文明一樣，通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)組成的邏輯門(mén)電路也能夠通過(guò)數(shù)十億次復(fù)用形成極端復(fù)雜的功能。整個(gè)數(shù)字時(shí)代的正片也悄然開(kāi)始。

解構(gòu)數(shù)字時(shí)代

作為邏輯電路的基本構(gòu)成，人們可以使用兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)制作一個(gè)非門(mén)，用4個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)制作一個(gè)與非門(mén)或者或非門(mén)……由此，人們便遍可以通過(guò)不斷地堆疊這些邏輯門(mén)來(lái)構(gòu)筑加法器、乘法器、存儲(chǔ)器和緩存。而更重要的是，通過(guò)簡(jiǎn)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(wàn)上千萬(wàn)倍的加速計(jì)算，讓人類(lèi)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?cè)谶@里給出這些圖并不是期待大家能由此完成對(duì)《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(chǎng)效應(yīng)管所組成的電路是如何一點(diǎn)一點(diǎn)實(shí)現(xiàn)加法、乘法和存儲(chǔ)的。

通過(guò)將上圖所展示的這些器件進(jìn)行無(wú)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(shí)際應(yīng)用中會(huì)更加復(fù)雜以滿(mǎn)足特定需求）。然后，我們順理成章的將他們組裝成了一臺(tái)電腦。

在擁有了這樣一臺(tái)電腦之后，問(wèn)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(gè)例子，如果我們定義A為牛肉面、B為香菜、 為不要，那么“來(lái)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(lái)碗香菜，不要面”。至于店老板會(huì)不會(huì)打人，那就不是計(jì)算機(jī)能處理的問(wèn)題了）。

圖中符號(hào)編碼的意思是：任取一個(gè)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(hào)進(jìn)行編號(hào)，那么我們便能用數(shù)字來(lái)表達(dá)邏輯并實(shí)現(xiàn)某種程度的計(jì)算

于是，我們便可以使用這套編碼邏輯來(lái)構(gòu)建函數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算并輸出結(jié)果。

以這套強(qiáng)大的計(jì)算邏輯作為工具，我們便可以開(kāi)始通過(guò)鍵盤(pán)輸入來(lái)構(gòu)建代碼，用代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)功能，用功能來(lái)組成模塊，用模塊來(lái)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(shí)間與成本的問(wèn)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(shí)代中的一個(gè)基礎(chǔ)原子。要想獲得數(shù)字時(shí)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(diǎn)外賣(mài)的流程為例，買(mǎi)家需要打開(kāi)手機(jī)中的外賣(mài)APP，開(kāi)始接收服務(wù)器上的外賣(mài)菜單信息并在點(diǎn)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(hù)訂單及餐費(fèi)。

在這樣一套流程中，無(wú)論是買(mǎi)家還是賣(mài)家都不需要購(gòu)買(mǎi)昂貴的服務(wù)器設(shè)備及承擔(dān)他們所帶來(lái)的電費(fèi)和維護(hù)成本，相反，他們只需要一臺(tái)相對(duì)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(mǎi)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(yíng)方的抽成。而在更復(fù)雜的商業(yè)實(shí)踐中，負(fù)責(zé)運(yùn)營(yíng)外賣(mài)系統(tǒng)的平臺(tái)企業(yè)甚至也不需要購(gòu)置自己的服務(wù)器，只需將開(kāi)發(fā)好的軟件系統(tǒng)放在專(zhuān)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(chē)、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(gè)人的工作與生活中都充滿(mǎn)這樣的系統(tǒng)時(shí)，一個(gè)全新的數(shù)字時(shí)代便轟轟烈烈的到來(lái)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(chǎng)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(gè)數(shù)字時(shí)代的過(guò)程中，我們刻意跳過(guò)了一個(gè)環(huán)節(jié)。那就是如何將電子元件做成CPU、內(nèi)存和存儲(chǔ)。

從最開(kāi)始那些晦澀難懂的電路圖中我們就發(fā)現(xiàn)，即便是最簡(jiǎn)單的加法器和乘法器都需要大量簡(jiǎn)單元件的海量堆疊，而如果要實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能和更強(qiáng)大的計(jì)算能力，這樣的結(jié)構(gòu)勢(shì)必會(huì)大到無(wú)法想象。

第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)——ENIAC

實(shí)際上，第一臺(tái)投入實(shí)用的電子計(jì)算機(jī)就是一臺(tái)重達(dá)30噸、占地150平方米的龐然大物，而它的計(jì)算能力卻僅有每秒5000次。但即便如此，這臺(tái)計(jì)算機(jī)仍舊在當(dāng)時(shí)的炮彈彈道研究中發(fā)揮了極其重要的作用。

在看到計(jì)算機(jī)的廣闊應(yīng)用前景之后，人們開(kāi)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(kāi)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(gè)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(zhǎng)的光波發(fā)生反應(yīng)并腐蝕金屬的光刻膠。之后，仙童們會(huì)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(shí)間之后，沒(méi)有被掩模圖案遮擋的光波便會(huì)引起硅片上的光刻膠腐蝕金屬，而沒(méi)有被照射的部分則會(huì)保留。而后，洗去光刻膠的硅片上便留下了腐蝕帶來(lái)的細(xì)小凹痕。通過(guò)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(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)清晰可見(jiàn)

通過(guò)這一方法，仙童們的第一代產(chǎn)品在1961年誕生：在數(shù)個(gè)毫米的硅晶圓上集成了4個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管和5個(gè)電阻。隨后，經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)工藝，仙童半導(dǎo)體已經(jīng)能夠在越來(lái)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(gè)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(guò)在制造工藝、設(shè)計(jì)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(chǎng)效應(yīng)管。對(duì)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(gè)場(chǎng)效應(yīng)管，并用這樣的處理器、內(nèi)存、存儲(chǔ)等產(chǎn)品驅(qū)動(dòng)整個(gè)數(shù)字時(shí)代所需的計(jì)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(huì)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(wú)人出其右的深厚積累，英特爾更將自身對(duì)于半導(dǎo)體及整個(gè)數(shù)字未來(lái)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(chǔ)、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(pán)、網(wǎng)卡、FPGA、ASIC、eASIC和AI加速芯片以及專(zhuān)為這些硬件優(yōu)化的英特爾驅(qū)動(dòng)、開(kāi)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(gè)偉大的數(shù)字時(shí)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(chǎng)蝴蝶效應(yīng)的中心，并且，還遠(yuǎn)未到達(dá)頂點(diǎn)。