就你现在拿着的手机，里面有一块小小的芯片。在你求解出薛定谔方程之前，在能带理论被提出之前，在大规模集成电路工业化实现之前，一个简单的芯片运算可能需要消耗30万吨的晶体管才能实现。
芯片是现代物理学和高端制造业结合后才产生的工业品，在物理理论和制造工艺上都是非常复杂的。这里着重讲下物理理论部分，毕竟我曾经学的是理论物理。
能带理论和半导体
芯片靠的主要是半导体，半导体技术完全来自于量子力学。
大学里面物理学专业的学习顺序是这样的，先学量子力学，再学固体物理，最后才学半导体物理。导体，绝缘体高中都听过，半导体就需要一些专业物理知识了。这里简单介绍一下半导体，帮你节省3年大学时光。
半导体的物理学理论基础是能带理论，它是使用量子力学的方法研究固体内部电子运动的理论。
能带理论认为，固体内部的电子，不是被束缚在单个原子周围，而是在整个固体内部运动，仅仅受到离子实势场的微扰。通过能带理论的假设，可以写出电子运动的薛定谔方程。
在紧束缚近似下，求解为一个原子能级对应一条能带。
别被物理公式吓到，后面我都用大白话来解释半导体的能带理论。
原子组成固体时，会有很多电子混到一起。量子力学认为，2个相同电子没法待在一个轨道上，于是，为了让这些电子不在一个轨道上打架，很多轨道就分裂成了好几个轨道，这么多轨道挤在一起，不小心挨得近了，就变成了宽宽的大轨道。在量子力学里，这种细轨道叫能级，挤在一起变成的宽轨道就叫能带。
能带理论怎么解释导体、半导体、绝缘体呢？
有些宽轨道挤满了电子，电子就没法移动，有些宽轨道空旷的很，电子就可自由移动。电子能移动，宏观上表现为导电，反过来，电子动不了就不能导电。
有些满轨道和空轨道挨的太近，电子可以毫不费力从满轨道跑到空轨道上，于是就能自由移动，这就是导体。不过一价金属的导电原理稍有不同，它的满轨道原本就不太满，所以电子不用跑到空轨道也能移动。
但很多时候两条宽轨道之间是有空隙的，电子单靠自己是跨不过去的，表现为不导电。但如果空隙的宽度在5ev之内，给电子加个额外能量，也能跨到空轨道上，跨过去就能自由移动，表现为导电。这种空隙宽度不超过5ev的固体，有时导电、有时不导电，所以叫半导体。
如果空隙超过5ev，那基本就得歇菜，正常情况下电子是跨不过去的，这就是绝缘体。当然，如果是能量足够大的话，别说5ev的空隙，50ev都照样跑过去，比如高压电击穿空气。
到这，由量子力学发展出的能带理论就差不多成型了，能带理论系统地解释了导体、绝缘体和半导体的本质区别，即取决于满轨道和空轨道之间的间隙。学术点说，取决于价带和导带之间的禁带宽度。
这里有个问题，一旦细轨道变少了，能不能挤成宽轨道就不好说了，所以能带理论本质上是一个近似理论，不适用于少量原子组成的固体。
绝缘体、半导体、导体的能带结构可以用如下示意图表示：
” data-caption=”” data-size=”normal” data-rawwidth=”1267″ data-rawheight=”982″ data-default-watermark-src=”https://pic1.zhimg.com/50/v2-7b3a7480b96a06be07d4d460e4f5538c_720w.jpg?source=1940ef5c” class=”origin_image zh-lightbox-thumb lazy” width=”1267″ data-original=”https://picx.zhimg.com/v2-aaabc9fcd0f6cdd02af33c86aaa310f4_r.jpg?source=1940ef5c” data-actualsrc=”https://pic4.zhimg.com/50/v2-aaabc9fcd0f6cdd02af33c86aaa310f4_720w.jpg?source=1940ef5c”>
理解了半导体之后，就走出了理解芯片的万里长征第一步。
P型半导体和N型半导体
基于一些简单的原因，科学家用硅作为半导体的基础材料。硅的外层有4个电子，假设某个固体由100个硅原子组成，那么它的满轨道就挤满了400个电子。这时，用10个硼原子取代其中10个硅原子，而硼这类三价元素外层只有3个电子，所以这块固体的满轨道就有了10个空位。我们把这些空位叫做“空穴”（电洞），这个空穴可能吸引束缚电子来“填充”，使得硼原子成为带负电的离子。物理中甚至把这些“空穴”直接等价于“正电荷”来处理，有了很多正电荷，它就成为了能够导电的物质。这叫P型半导体。
同理，如果用10个磷原子取代10个硅原子，磷这类五价元素外层有5个电子，因此满轨道上反而又多出了10个电子。多出的电子几乎不受束缚，较易成为自由电子，它可以通过自由电子导电。这叫N型半导体。
PN结
P型半导体和N型半导体，一个有多余电子，一个缺电子，那把他们放到一起岂不是刚刚好。你太聪明了，放到一起就形成了大名鼎鼎的“PN结”。
那放在一起之后会发生什么呢？在他们集合处， P区抢了电子，表现出带负电荷，N区电子跑了，表现出来带正电荷。这个就会形成一个电场，从N区指向P区，刚好和电子狂奔的方向相反。最终会在某个程度形成一个平衡。
” data-caption=”” data-size=”normal” data-rawwidth=”1185″ data-rawheight=”470″ data-default-watermark-src=”https://pic1.zhimg.com/50/v2-76afb3b8c0188fe34c366fce399d8245_720w.jpg?source=1940ef5c” class=”origin_image zh-lightbox-thumb lazy” width=”1185″ data-original=”https://pic2.zhimg.com/v2-79a0bdcfc85f492d5b3723366c3e72ab_r.jpg?source=1940ef5c” data-actualsrc=”https://pic1.zhimg.com/50/v2-79a0bdcfc85f492d5b3723366c3e72ab_720w.jpg?source=1940ef5c”>
导电其实就是在电场下，什么离子啊，电子啊能运动起来，才来带着电跑，表现出来的就是导电了。可见要想导电，首先用一个更大的电场来打破这个平衡，那么如果在P端接正极，N端负极，刚好与形成的内部电场方向相反，由于外部的电场比较猛，可以先抵消内部电场，这样各类电子，离子什么的都是可以在电场的作用可以活动了，也就可以导电了。
如果N端接正极，P端接负极，相当于增强内部电场，平衡被扩大，在一定范围内时带电粒子被束缚，自然是不导电啦。
用大白话总结一下：PN结具有单向导电性。
PN结最主要的特性就是在一定正向外部电压情况下，是单向导电，而加反向的就不通，可以表示数字0和1，这就是我们的就是二极管；
注意，0和1是啥啊？二进制的基础啊，而二进制是计算技术中广泛采用的一种数制。
那岂不是又离芯片更近了一步。
二极管和逻辑电路
我们用二极管搭个电路：
” data-caption=”” data-size=”normal” data-rawwidth=”1045″ data-rawheight=”840″ data-default-watermark-src=”https://pic4.zhimg.com/50/v2-d5ec9b2c5d767298ecea0e8230969a85_720w.jpg?source=1940ef5c” class=”origin_image zh-lightbox-thumb lazy” width=”1045″ data-original=”https://pic3.zhimg.com/v2-6b09efb5f7b3e9fd0304b0465ee03bd7_r.jpg?source=1940ef5c” data-actualsrc=”https://pic2.zhimg.com/50/v2-6b09efb5f7b3e9fd0304b0465ee03bd7_720w.jpg?source=1940ef5c”>
三角形代表二极管，箭头方向表示电流可通过的方向，AB是输入端，Y是输出端。
这个电路有如下特性：
l 当A和B都是高电压（即输入为1）时Y输出1
l A和B任意一个是低电平（输入0）Y输出0
这就是“与门电路”。
再来一个
” data-caption=”” data-size=”normal” data-rawwidth=”788″ data-rawheight=”845″ data-default-watermark-src=”https://pic4.zhimg.com/50/v2-6349624101b9725c911ead934a0cb09c_720w.jpg?source=1940ef5c” class=”origin_image zh-lightbox-thumb lazy” width=”788″ data-original=”https://pic1.zhimg.com/v2-652ae10514f9edf9cb0de2c44c752770_r.jpg?source=1940ef5c” data-actualsrc=”https://picx.zhimg.com/50/v2-652ae10514f9edf9cb0de2c44c752770_720w.jpg?source=1940ef5c”>
它的特性是：
l 当A和B任意一个是高电压（即输入为1）时Y输出1
l A和B都是低电平（输入0）Y输出0
这叫“或门电路”；
更复杂的还可以实现非门电路和 异或门电路，这里不再详细描述了。重点是我们现在实现了基本的逻辑门电路，现在就离芯片就不远了。
芯片运算
芯片运算的本质就是：把一串1,0，变成另一串1,0。
” data-caption=”” data-size=”normal” data-rawwidth=”744″ data-rawheight=”271″ data-default-watermark-src=”https://picx.zhimg.com/50/v2-0fa88d58e55233a739b9849fb6aba81e_720w.jpg?source=1940ef5c” class=”origin_image zh-lightbox-thumb lazy” width=”744″ data-original=”https://pic1.zhimg.com/v2-bcf9913fe5a077780d579874c28d0085_r.jpg?source=1940ef5c” data-actualsrc=”https://pic1.zhimg.com/50/v2-bcf9913fe5a077780d579874c28d0085_720w.jpg?source=1940ef5c”>
举个简单的例子，芯片要实现1+2，那怎么办呢？
先输入：00000001
再输入：00000010
然后芯片通过一个复杂的组合的逻辑电路，输出00000011
不要以为这个逻辑电路实现起来很简单，我们看下面这一坨电路：
” data-caption=”” data-size=”normal” data-rawwidth=”452″ data-rawheight=”240″ data-default-watermark-src=”https://pic1.zhimg.com/50/v2-78aa1613ad48eeef90cc67e19bc805f2_720w.jpg?source=1940ef5c” class=”origin_image zh-lightbox-thumb lazy” width=”452″ data-original=”https://pica.zhimg.com/v2-6176024b48471e2bf773ca685809a8b3_r.jpg?source=1940ef5c” data-actualsrc=”https://pic1.zhimg.com/50/v2-6176024b48471e2bf773ca685809a8b3_720w.jpg?source=1940ef5c”>
左边有8个输入端，右边有7个输出端，每个输出端对应一个发光管，7个发光管组成一个数字显示器。从左边输入一串信号：00000101，经过中间一堆的电路，使得右边输出另一串信号：1011011。1代表有电压，有电压就可以点亮对应的发光管，于是，就得到了一个数字“5”，如上图所示。
这么复杂的电路，实现的只是输入信号00000101，输出另一串信号：1011011
计算再复杂一点，可是要烧掉不少脑细胞。
后来1942年的一天，一群人用了17468只电子管、7200只电阻、10000只电容、50万条线，组成了一个超级复杂的电路，重达30吨，运算能力5000次/秒，还不及现在手持计算器的十分之一，这就是人类的第一台计算机。
” data-caption=”” data-size=”normal” data-rawwidth=”700″ data-rawheight=”400″ data-default-watermark-src=”https://picx.zhimg.com/50/v2-e10a00e84513052122b765c4178b9843_720w.jpg?source=1940ef5c” class=”origin_image zh-lightbox-thumb lazy” width=”700″ data-original=”https://pic4.zhimg.com/v2-45182c589019aeaee741b3e74b44b67f_r.jpg?source=1940ef5c” data-actualsrc=”https://pic1.zhimg.com/50/v2-45182c589019aeaee741b3e74b44b67f_720w.jpg?source=1940ef5c”>
而现在手机芯片就有约4亿个晶体管，如果还用老方法，简单算一下，大约需要180万千瓦，重量35万吨以上（相当于1万架飞机）。
把这35万吨、数亿个电子器件组成的电路集成到指甲那么大的地方之后，就成了芯片。
” data-caption=”” data-size=”normal” data-rawwidth=”1312″ data-rawheight=”987″ data-default-watermark-src=”https://pic1.zhimg.com/50/v2-5212622bc2b54d1282e604921453b109_720w.jpg?source=1940ef5c” class=”origin_image zh-lightbox-thumb lazy” width=”1312″ data-original=”https://pic1.zhimg.com/v2-2a16016d910120c33cdfc1681b0a7ea4_r.jpg?source=1940ef5c” data-actualsrc=”https://pic2.zhimg.com/50/v2-2a16016d910120c33cdfc1681b0a7ea4_720w.jpg?source=1940ef5c”>
怎么样，有没有觉得自己手上拿的手机和电脑顿时高大上了起来？
我写过怎么选笔记本的文章，也可以看看：
拌混凝土。
村头随便找个包工头就会拌混凝土，弄几包水泥，加水加砂子加石子，具体加多少全凭经验或者乱蒙。这样做出来的农村自建房也有模有样。
但这样是做不成三峡大坝或者迪拜塔的。
想象一下，几百吨乃至成千上万吨的混凝土浇下去，一星期后一看，裂的不成样子了。这还能当大坝么？渗水得渗成什么样子？这损失谁承担？
到底用啥水泥？什么比例？加多少水？多少砂石？
决定怎么拌这些混凝土，甚至得用电子显微镜、计算机模拟，乃至核磁共振。
浇这样的混凝土，甚至有时候得用液氮控温。
感兴趣的话，可以猛戳这些我的回答链接：
说一说像素艺术
这里主要讲讲电子世界里的像素艺术。在现在动不动都矢量化，扁平化，3D化的时代，像素这个东西已经开始慢慢地淡化出我们的生活中了。像素艺术这个东西和当年贫瘠的电子产品资源（低分辨率、低网速、低存储）脱不开干系。但当年确实有这么一帮子家伙，天天在研究如何去更好的平衡产品的美观与实用。
像素艺术最早作用在旧电子时代的网站/插画/UI领域，涌现出非常多的经验和方法。许多设计和插画网站上都有系统的文章，比如当年的像素森林。
而像素艺术在图标的设计上也是一门学问。记得当年有不少的教程指导UI新手们如何去在低像素下保证足够的辨识度与清晰度。现在许多UI行业的大神，都经历过那段一像素一像素扣细节的时代吧。
对于一套完整的图标，16px，32px，48px尺寸下的图标都是需要重新绘制的，甚至为了适配不同的设备，2色，16色，256色的图标都需要出一套。
而为了设计一套完美的图标，设计师可以做到什么程度？GUIC2008年金奖作者 iconboy的获奖作品令人印象深刻：
这套图标在大尺寸上都是立体斜60度角的表现形式，这样可以得到视觉上的强烈冲击感。而为了让图标在小尺寸下实现最好的空间利用，一套100多枚图标，每一枚图标在16像素下都进行了重绘。
而其他岗位的设计师，也曾经有过对解决像素问题废寝忘食的时候，可参看字体大师Matthew Carter在TED上的演讲：
http://v.youku.com/v_show/id_XNzkzODQyOTI0.html?from=y1.2-2.4.13
Matthew Carter:我的字体人生 http://v.youku.com/v_show/id_XNzkzODQyOTI0.html?from=y1.2-2.4.13
现在的电子设备随着分辨率越来越高，字体早已矢量化，对16px，32px这类小图标的需求也已经越来越弱。在追求扁平化，极简设计的年代，我们也很难看到设计网站上有这些对每一像素都细针密缕的作品了，但是有个领域，还经常出现着像素艺术的表现形式。
现在的游戏中，像素风格往往被冠以“怀旧”“亲切”的称号，但是在某些未经历过像素时代的人来看，也存在着“破旧”“画质差”“老土”的印象。
在我看来，像素化的魅力，却恰恰是通过减少视觉上的维度，让受众在脑中有了更多的想象空间，从而观看者与作品之间产生了一种潜意识的“想像互动”
举个例子，马里奥系列3D化带来视觉上提升，但是你仔细回想起来，恰恰是马里奥大叔的模糊不清，让你没法确认这个大叔是在微笑，还是愤怒？远处的山峰又像是一个怪物。这种与现实世界强烈的错位感给你带来无穷无尽想象。
像素艺术的魅力是无可替代的，也许未来会逐渐趋于小众，但藏其背后的是一种很高级的艺术。
最后贴一张利用像素艺术赚了大钱的东东。（许多不认识的朋友第一句话是“这游戏画质好差啊”）
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我的公众号: MOCAidea ，没事吹牛逼
