Máy tính hiện đại đang cách mạng hóa cuộc sống của chúng ta,
thực hiện những công việc chỉ vài thập kỷ trước tưởng như không thể.
Điều này đã trở nên khả thi sau hàng loạt những cải tiến,
nhưng có một phát minh căn bản mà hầu như mọi thứ khác đều dựa vào:
linh kiện bán dẫn.
Vậy nó là thứ gì,
làm sao thiết bị đó có thể khiến máy tính làm được những điều tuyệt vời như thế?
Về mặt cốt lõi, máy tính, đúng như ý nghĩa tên gọi của chúng,
là những chiếc máy thực hiện các phép toán.
Những chiếc máy tính đầu tiên là những thiết bị tính toán thủ công,
như chiếc bàn tính,
còn máy tính đời sau sử dụng các bộ phận cơ khí.
Những thiết bị này trở thành máy tính bởi chúng có thể thể hiện các con số
và có một hệ thống để điều khiển chúng.
Máy tính điện tử cũng hoạt động theo cách đó,
nhưng thay vì những lắp rắp cơ học,
các con số được thể hiện qua điện áp dòng điện.
Phần lớn các máy tính như vậy sử dụng thuật toán lô-gíc Boolean
mà trong đó chỉ có hai giá trị có thể có,
điều kiện lô-gíc đúng hoặc sai,
được biểu thị bằng các số nhị phân 1 và 0.
Chúng được đại diện bởi các mức điện áp cao và thấp.
Các phương trình được thực hiện qua các mạch điện cổng lô-gíc
cho ra giá trị thể hiện bởi 1 hoặc 0
dựa trên việc liệu các dữ liệu nhập vào có thỏa mãn điều kiện lô-gíc nhất định.
Những mạch điện này thực hiện ba phép toán lô-gíc cơ bản,
phép và, phép hoặc, và phép đảo.
Phép và hoạt động theo kiểu "cổng AND" cung cấp hiệu suất điện áp cao
chỉ khi nó nhận vào hai dòng điện áp cao,
và các cổng còn lại cũng hoạt động theo nguyên lý tương tự.
Các mạch này có thể được tổ hợp để tạo ra các phép toán phức tạp,
như là cộng hoặc trừ.
Và phần mềm máy tính chứa các hướng dẫn
để thực hiện các phép toán này theo phương thức điện tử.
Kiểu hệ thống này cần một phương pháp tin cậy và chính xác
để điều khiển các dòng điện.
Những máy tính điện tử đầu tiên, như là ENIAC,
sử dụng một thiết bị gọi là ống chân không.
Hình thái trước đây của nó, điôt,
tạo bởi hai điện cực đặt trong một ống thủy tinh chân không.
Khi có điện áp ở cực âm, nó sẽ nóng lên và giải phóng electron.
Nếu ở cực dương đang có điện thế dương cao hơn,
các electron sẽ bị hút vào đó,
và mạch sẽ được khép kín.
Dòng điện một chiều này có thể được điều khiển
bằng cách thay đổi điện áp ở cực âm,
khiến nó giải phóng ít nhiều electron.
Tiếp theo là ống ba cực (triôt),
sử dụng điện cực thứ ba là một cái lưới.
Đây là một lưới thép giữa cực âm và cực dương
mà electron có thể được truyền qua đó.
Thay đổi điện áp có thể khiến nó hoặc đẩy
hoặc hút các electron phát ra từ cực âm,
từ đó tạo nên sự chuyển dòng điện nhanh.
Khả năng khuếch đại tín hiệu khiến triôt trở thành phần thiết yếu của radio
và liên lạc đường dài.
Mặc dù có những cải tiến, ống chân không lại thiếu tin cậy và tốn diện tích.
Với 18,000 triôt, ENIAC có kích cỡ gần bằng một sân quần vợt
và nặng 30 tấn.
Những chiếc ống này thường xuyên hỏng,
trong một giờ, nó đã tiêu thụ lượng điện 15 hộ gia đình sử dụng trong một ngày.
Giải pháp chính là linh kiện bán dẫn.
Thay vì dùng điện cực, nó sử dụng chất bán dẫn,
như việc xử lý silicon bằng các nguyên tố khác
để tạo ra chất bán dẫn loại N phát ra electron,
và loại P hấp thụ electron.
Những loại này được sắp xếp vào ba lớp xen kẽ nhau
với một cực điện ở mỗi lớp.
Cực phát, cực nền, và cực thu.
Trong linh kiện bán dẫn NPN đặc trưng này,
do các hiện tượng nhất định xảy ra tại bề mặt chung P-N,
một vùng đặc biệt gọi là mối nối P-N được hình thành giữa cực phát và cực nền.
Nó chỉ dẫn điện
khi đưa vào mức điện áp vượt trên một ngưỡng nhất định.
Còn nếu không, nó vẫn bị ngắt mạch.
Bằng cách này, những biến thiên nhỏ trong điện áp truyền vào
có thể được sử dụng để nhanh chóng chuyển giữa dòng điện ra cao và thấp.
Lợi thế của linh kiện bán dẫn chính là tính hiệu quả và độ rắn của nó.
Bởi chúng không cần làm nóng, chúng bền hơn và tốn ít năng lượng hơn.
Chức năng của ENIAC giờ trở nên vượt trội nhờ vi mạch đơn, cỡ chỉ bằng cái móng tay
nhưng chứa hàng tỉ linh kiện bán dẫn.
Thực hiện được hàng ngàn tỉ phép toán mỗi giây,
máy tính ngày nay dường như đang tạo ra những phép màu,
nhưng thực sự thì
mỗi phép toán lại vẫn đơn giản như gạt một công tắc vậy.