從「已知用火」到「學會開關」：人類如何改寫文明
人類文明的躍遷，來自兩件事：掌握能量，以及傳遞資訊。從數萬年前的「已知用火」，我們開始能主動創造環境；直到近代，我們學會把資訊以「開與關」來表達，使得知識得以被快速擴散，開關的發展真空管到BTJ，再到MOSFET，我們逐漸能將數十億個「開關」整合成一個同時運作的系統，成為現在人人皆有的智慧型手機、筆記型電腦，人類獲得前所未有的「資訊力」，而資訊的爆發也造就了近代文明的高度發展，Google工程總監雷．庫茲威爾 (Ray Kurzweil) 指出：「人類在二十一世紀的進步，將會是相當於過去兩萬年的進步。」讓我們一起來認識這「開關」如何撐起這一個世紀的文明躍遷！
撰文｜黃鼎鈞
在人類歷史的長河中，對兩種能力的掌握，改變了文明的走向，一是對能量的掌握，另一種則是對資訊的操控。追溯人類的歷史，火是人類最早掌握的能量形式。從那一刻起，人類開始能夠烹飪、冶煉、取暖，並延長活動時間，也正是在這樣的轉變中，人類不再只是自然的被動承受者，而逐漸成為能夠主動改造環境的存在。隨著時間推進，人類對能量的掌握不斷提升，直到工業革命時期，蒸氣被用來驅動機械，生產與運輸能力大幅提升，機械動力開始取代人力與畜力，大規模生產的工業時代就此展開。不過，從已知用火到工業革命，可是花上了人類上萬年的時間，這樣緩慢的進步與資訊難以擴散有關，直到近代，資訊可以快速地被傳送與處理，人類文明才開始呈現指數性的成長，然而，資訊要如何快速地被表達？最簡單的方式，就是將訊號轉化為兩種狀態—導通 (on) 或截止 (off)，能如此呈現的元件就是「開關」。
第一代電子開關：真空管
二十世紀初，真空管 (vacuum tube) 成為第一個能夠有效控制電子流的裝置，透過在真空中加熱陰極，使電子逸出，再利用控制閘極來施加微小的電場，來決定電子使否能從中通過，不僅如此，這樣的設計還能放大訊號，克服了資訊傳遞時伴隨的衰減，使長距離通訊成為可能。然而，真空管是一個「吃能的怪獸」，它體積龐大、耗能高、發熱嚴重，且壽命有限，在電子系統變得更為複雜時，這些問題就進一步放大，成為了技術發展的瓶頸。
固態材料中的電流控制：電晶體
1947年，在貝爾實驗室，John Bardeen與Walter Brattain成功展示了第一個可運作的電晶體，從此，電流的傳輸不再依賴真空中的電子飛行，而是能在固體材料中進行，這類材料稱為「半導體」，其電性介於導體與絕緣體之間，其導電能力可以透過外加電壓來調控，也正因如此，半導體被設計成「控制電流」的材料。以雙極性電晶體 (Bipolar Junction Transistor, BJT) 為例，它由三個區域構成：發射極 (Emitter)、基極 (Base) 與集極 (Collector)，其中，發射極負責注入載子，集極負責收集載子，而夾在中間的基極，則扮演控制的閥門，當基極與發射極之間施加電壓時，載子會被注入並穿越基極，大多數最終被集極收集，形成一股較大的電流；反之，則無電流通過。比起真空管，這樣的設計可以大幅縮小體積、減少功耗、不易發熱且響應速度更快。因此，電子系統開始朝向小型化與高效率的發展，開啟了科技的革命。
然而，為了讓電流持續通過，基極必須不斷提供電流，也就是說，電晶體在導通的同時，控制端本身也在持續消耗能量，當電路中的元件數量不斷增加時，這種「持續供應控制電流」的方式，仍會累積成可觀的能量消耗，此外，由於基極的厚度較薄，必須被精準控制，隨著元件尺寸持續縮小，製程難度急劇上升，一點誤差就可能影響電流傳輸，進而影響訊號的準確性。為了解決這些問題，金氧半場效電晶體 (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET) 就此登場。
MOSFET：以電場創造導電通道
MOSFET不再用電流來控制電流，而是改以電場來直接調控材料的導電性，其基本結構包含源極 (Source)、汲極 (Drain) 與閘極 (Gate)，其中閘極與半導體之間隔著絕緣氧化層，透過閘極在絕緣氧化層中建立電場，使半導體表面的電荷重新分佈，形成一條狹窄的導電通道使電子得以從源極流向汲極，反之，當閘極未施加電壓時，源極與汲極之間則不存在可供載子通行的路徑，電子無法流動。相比BJT需要持續注入電流的操作模式，MOSFET只需要維持一個電場，不需真正有電子的額外注入，就可以達到相同的開關效果，也因此這樣的機制幾乎不消耗能量。不僅如此，由於MOSFET的運作是依賴在材料表面建立導電通道，對結構厚度的依賴較小，不需要像BJT那樣準確地控制基極的區域，換句話說，MOSFET是透過「幾何導向」的設計，而不是「尺寸主導」的模式，因此更容易在製程上被定義與縮小，於是，MOSFET取代了BJT成為了半導體的主流元件。
我們今天使用的每一部手機、每一臺電腦，本質上都是由數十億個「開關」組成的系統，這樣的系統能進行大規模的資訊處理，以致於現代人多具備著強大的「資訊力」，能夠非常容易的取得知識，也因此，人類文明正以前所未有的速度在成長中。美國發明家、未來學家兼 Google 工程總監雷·庫茲威爾 (Ray Kurzweil) 曾提出過「加速回報定律」(The Law of Accelerating Returns)，他認為人類文明的成長以越來越快的速度爆發，他在其著作《奇點臨近》(The Singularity Is Near) 指出：「人類在二十一世紀的進步，將會是相當過去兩萬年的進步。」
從對能量的掌握，到資訊的傳播，我們正站在文明快速成長的浪潮之中，除了「開與關」的資訊表達，結合「開和關」混合態的量子電腦也正在被發展，也說不定，這快速的成長的文明，又將迎來一個更快速成長的轉折點。
參考文獻
- Chopra, S., & Subramaniam, S. (2015). A review on challenges for MOSFET scaling. Int. J. Innovative Science, 2(4).
- Kurzweil, R. (2001). The law of accelerating returns. In Alan Turing: Life and legacy of a great thinker (pp. 381-416). Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg.
- Wikipedia contributors. (n.d.). The Law of Accelerating Returns. Wikipedia. Retrieved April 24, 2026.