Chips everywhere, and the switch that makes them workChip ở quanh ta, và chiếc công tắc giúp chúng hoạt động

Count the chips you touched today: the phone, the laptop, the rice cooker, the LED bulb over the desk. Every one of them is built from the same humble part, a switch that no hand ever flips.

Thử đếm xem hôm nay bạn đã chạm vào bao nhiêu con chip: chiếc điện thoại, máy tính xách tay, nồi cơm điện, bóng đèn LED trên bàn làm việc. Tất cả đều làm nên từ cùng một linh kiện nhỏ bé: chiếc công tắc không cần bàn tay nào bật tắt.

In this chapter

Trong chương này

• Why a car, a phone or a rice cooker today cannot work without chips
• What a transistor is: a switch flipped by electricity, billions of times a second
• How the germanium transistor of 1947 began to replace the vacuum tube, and then gave way to silicon chips
• How switches add numbers in binary, with a one-bit adder you can try yourself
• How far computing has come since ENIAC, set beside a modern phone

• Vì sao ô tô, điện thoại hay nồi cơm điện ngày nay không thể thiếu chip
• Bóng bán dẫn (transistor) là gì: một công tắc được bật tắt bằng điện, hàng tỷ lần mỗi giây
• Transistor germanium ra đời năm 1947 đã dần thay chỗ ống chân không, rồi nhường chỗ cho chip silicon như thế nào
• Các công tắc cộng hai số trong hệ nhị phân ra sao, qua một mạch cộng một bit bạn có thể tự bấm thử
• Máy tính đã đi được bao xa kể từ ENIAC, khi đặt cạnh một chiếc điện thoại ngày nay

Almost everything in a day relies on chips

Gần như việc gì trong ngày cũng cần đến chip

It is hard to picture a day without chips, because very little of the day happens without them. The obvious ones sit in phones and computers. The less obvious ones sit in household appliances: the rice cooker that knows when the rice is done, the microwave, the oven, even the LED bulb, which needs a small circuit to turn mains power into the steady current its lights require.

Khó mà hình dung một ngày không có chip, vì gần như chẳng việc gì trong ngày diễn ra mà thiếu chúng. Những con chip dễ thấy nhất nằm trong điện thoại và máy tính. Những con chip khó thấy hơn nằm trong đồ gia dụng: chiếc nồi cơm điện biết lúc nào cơm chín, lò vi sóng, lò nướng. Ngay cả bóng đèn LED cũng cần một mạch điện nhỏ để biến điện lưới thành dòng điện ổn định cho các con LED bên trong.

A transistor is a switch flipped by an electrical signal, not a hand

Transistor là chiếc công tắc được bật tắt bằng tín hiệu điện chứ không bằng tay

Open up any chip and ask what its most basic building block is, and the answer is always the same: the transistor. The easiest way to understand one is to start with the light switch on your wall. Switch it on and the light comes on: call that 1. Switch it off and the light goes out: call that 0.

Nếu mở một con chip bất kỳ và hỏi thành phần cơ bản nhất của nó là gì, câu trả lời luôn là bóng bán dẫn (transistor). Cách dễ nhất để hiểu transistor là bắt đầu từ chiếc công tắc đèn trên tường. Bật lên, đèn sáng: ta gọi đó là 1. Tắt đi, đèn tắt: ta gọi đó là 0.

A transistor is that switch with the hand taken away. Instead of a finger, an electrical signal decides whether current can flow through it, so one transistor can switch another, and whole chains of them can run on their own. A modern transistor can switch on and off billions of times every second, and a single phone chip holds billions of them.

Transistor chính là chiếc công tắc ấy, chỉ có điều không cần đến bàn tay. Thay cho ngón tay, một tín hiệu điện quyết định dòng điện có chạy qua nó hay không, vì vậy transistor này có thể bật tắt transistor kia, và cả một chuỗi transistor có thể tự vận hành. Một transistor hiện đại có thể bật tắt hàng tỷ lần mỗi giây, và riêng một con chip trong điện thoại đã chứa hàng tỷ transistor như thế.

Electronic switches went from vacuum tubes to silicon chips

Công tắc điện tử đi từ ống chân không đến chip silicon

Electronic switches existed before the transistor. The first ones were vacuum tubes: glass bulbs, often the size of a thumb or larger, that let a small signal control a larger current. They worked, but they ran hot, drew a lot of power and burned out. A machine built from thousands of them filled a room, as the last section of this chapter shows.

Công tắc điện tử đã có từ trước khi transistor ra đời. Những chiếc đầu tiên là ống chân không: các bóng thủy tinh, thường to cỡ ngón tay cái hoặc lớn hơn, cho phép một tín hiệu nhỏ điều khiển một dòng điện lớn hơn. Chúng làm được việc, nhưng nóng, tốn điện và hay cháy hỏng. Một cỗ máy ghép từ hàng nghìn ống như vậy chiếm trọn một căn phòng, như phần cuối chương này sẽ cho thấy.

The replacement arrived in December 1947. At Bell Labs in New Jersey, John Bardeen and Walter Brattain, working in a group led by William Shockley, built the first transistor from a small slab of germanium.^1.3 It could do a vacuum tube’s job of amplifying a signal, in a sliver of solid material, with no glass, no vacuum and no glowing filament. Later transistors moved to silicon, the material almost every chip is made of today.

Thứ thay thế ra đời vào tháng 12 năm 1947. Tại Bell Labs ở bang New Jersey, John Bardeen và Walter Brattain, thuộc nhóm nghiên cứu do William Shockley đứng đầu, chế tạo transistor đầu tiên từ một miếng germanium nhỏ.^1.3 Nó làm được việc của một ống chân không là khuếch đại tín hiệu, nhưng gói gọn trong một mảnh vật liệu rắn, không cần vỏ thủy tinh, không cần chân không, cũng không cần dây tóc nung đỏ. Về sau transistor chuyển sang silicon, vật liệu làm nên gần như mọi con chip ngày nay.

The next step was to stop building transistors one at a time. In September 1958 Jack Kilby of Texas Instruments made the first integrated circuit: several components formed in one piece of germanium, joined by fine gold wires. Robert Noyce of Fairchild Semiconductor filed a patent in 1959 for a practical way to build the whole circuit, wiring included, into a single flat piece of silicon, building on his colleague Jean Hoerni’s planar process, and Fairchild produced the first such chips in 1960.^1.4 Every modern chip descends from that silicon approach.

Bước tiếp theo là thôi chế tạo từng transistor riêng lẻ. Tháng 9 năm 1958, Jack Kilby ở Texas Instruments làm ra integrated circuit (vi mạch tích hợp) đầu tiên: nhiều linh kiện được tạo trên cùng một miếng germanium, nối với nhau bằng những sợi dây vàng mảnh. Năm 1959, Robert Noyce ở Fairchild Semiconductor đăng ký sáng chế một cách làm thực tế: dựng toàn bộ mạch, kể cả dây nối, trên một miếng silicon phẳng duy nhất, dựa trên quy trình planar của người đồng nghiệp Jean Hoerni. Đến năm 1960, Fairchild làm ra những con chip đầu tiên theo cách ấy.^1.4 Mọi con chip hiện đại đều bắt nguồn từ hướng đi silicon này.

Switches wired the right way can add numbers

Các công tắc nối đúng cách có thể tự làm phép cộng

A switch that is either on or off is a natural fit for binary, the number system that uses only 0 and 1. In binary, each position is worth twice the one to its right: 1, 2, 4, 8, 16 and so on. So 8 is written 1000, and 16 is written 10000. Connect transistors in the right pattern and they can add such numbers with no one pressing anything but the inputs.

Một chiếc công tắc chỉ có hai trạng thái bật và tắt rất hợp với hệ nhị phân, hệ đếm chỉ dùng hai chữ số 0 và 1. Trong hệ nhị phân, mỗi vị trí có giá trị gấp đôi vị trí bên phải nó: 1, 2, 4, 8, 16, cứ thế tiếp tục. Vì vậy số 8 viết là 1000, còn số 16 là 10000. Nếu nối các transistor theo đúng cách, chúng có thể tự cộng những con số như thế, người dùng chỉ việc đặt giá trị đầu vào.

The film below shows a hand-built adder.^1.5 Each row of switches sets a binary number, and a row of lights shows the answer. Set 1000 on the top row and 1000 on the second, and the bottom lights read 10000: eight plus eight is sixteen.

Đoạn phim dưới đây cho thấy một mạch cộng lắp bằng tay.^1.5 Mỗi hàng công tắc đặt một số nhị phân, còn một hàng đèn hiện kết quả. Đặt 1000 ở hàng trên và 1000 ở hàng thứ hai, hàng đèn dưới cùng sáng thành 10000: tám cộng tám bằng mười sáu.

The smallest version of that board adds just two single bits, and it has only four cases to handle. 0 + 0 is 0. 0 + 1 and 1 + 0 are both 1. And 1 + 1 is 2, which binary writes as 10: a 0 in this column and a 1 carried into the next. So a one-bit adder needs two outputs. The sum bit is 1 when exactly one of the inputs is 1. The carry bit is 1 only when both inputs are 1. Circuit designers call it a half adder, and each of its two rules is a small circuit of transistors.^1.6

Phiên bản nhỏ nhất của tấm mạch ấy chỉ cộng hai bit đơn, và chỉ phải xử lý bốn trường hợp. 0 + 0 bằng 0. 0 + 1 và 1 + 0 đều bằng 1. Còn 1 + 1 bằng 2, trong hệ nhị phân viết là 10: viết 0 ở cột này, nhớ 1 sang cột kế tiếp. Vì thế mạch cộng một bit cần hai đầu ra. Bit tổng bằng 1 khi đúng một trong hai đầu vào bằng 1. Bit nhớ chỉ bằng 1 khi cả hai đầu vào cùng bằng 1. Người thiết kế mạch gọi nó là mạch cộng bán phần (half adder), và mỗi quy tắc trên ứng với một mạch transistor nhỏ.^1.6

Try it on plate 1.3, where each button is one switch.

Hãy thử ngay trên hình 1.3, nơi mỗi nút bấm là một công tắc.

Longer numbers are added the same way you add on paper, one column at a time from the right. Each column after the first also has to take in the carry from the column before it, so it uses a slightly larger circuit with a third input, known as a full adder. Line up one per column and you have the board in the film.

Với những số có nhiều chữ số hơn, mạch cộng đúng như cách ta vẫn cộng trên giấy, từng cột một, bắt đầu từ bên phải. Từ cột thứ hai trở đi, mỗi cột còn phải nhận thêm số nhớ từ cột trước, nên cần một mạch lớn hơn một chút với đầu vào thứ ba, gọi là mạch cộng toàn phần (full adder). Xếp mỗi cột một mạch như vậy, ta có tấm mạch trong đoạn phim.

Set beside a phone, ENIAC shows how far the transistor has come

Đặt cạnh một chiếc điện thoại, ENIAC cho thấy transistor đã đi xa đến đâu

Before transistors, a computer was built from vacuum tubes, and the best-known of them did far less than a phone does today. ENIAC, built for the US Army at the University of Pennsylvania and formally dedicated in February 1946, held 17,468 vacuum tubes, weighed more than 27 tons and filled a room of about 1,800 square feet (170 m²).^{1.7, 1.8} It drew 150 kilowatts of power and could perform about 5,000 additions a second.^{1.7, 1.9}

Trước khi có transistor, người ta dựng máy tính từ ống chân không, và chiếc máy nổi tiếng nhất thời ấy làm được ít hơn nhiều so với một chiếc điện thoại ngày nay. ENIAC do Đại học Pennsylvania chế tạo cho Quân đội Mỹ và chính thức ra mắt vào tháng 2 năm 1946. Cỗ máy chứa 17.468 ống chân không, nặng hơn 27 tấn và chiếm trọn một căn phòng rộng khoảng 170 mét vuông.^{1.7, 1.8} Nó tiêu thụ 150 kilowatt điện và thực hiện được khoảng 5.000 phép cộng mỗi giây.^{1.7, 1.9}

Set it beside a phone from 2024 and the distance the transistor has covered becomes plain.

Đặt nó cạnh một chiếc điện thoại năm 2024, quãng đường mà transistor đã đi qua hiện ra rõ ràng.

The price row is the easiest to read. Adjusted with the US consumer price index, ENIAC’s $487,000 is about $7.8 million in 2024 money.^{1.8, 1.10} An iPhone 16 started at $799, so the phone costs almost ten thousand times less, and it does far more.^1.11

Hàng giá cả là hàng dễ đọc nhất. Quy đổi theo chỉ số giá tiêu dùng của Mỹ, 487.000 đô la của ENIAC tương đương khoảng 7,8 triệu đô la năm 2024.^{1.8, 1.10} Chiếc iPhone 16 có giá khởi điểm 799 đô la, tức rẻ hơn gần mười nghìn lần, mà lại làm được nhiều việc hơn hẳn.^1.11

The chips that now train and run AI are the same idea as the adder above, repeated billions of times and switched billions of times a second.

Những con chip dùng để training (huấn luyện) và chạy AI hôm nay vẫn dựa trên đúng ý tưởng của mạch cộng ở trên, chỉ là nhân lên hàng tỷ lần và bật tắt hàng tỷ lần mỗi giây.