前一篇认识了 MOS 晶体管：它能用电压控制一条细小的电流通道。工程师还可以做出 n 沟道和 p 沟道两种 MOS 开关，让它们对输入信号作出互补反应。把两类器件一起使用的电路方式，叫 CMOS。

先用一盏会自动开关的灯来想象

把电路看成一盏接在电源和地线之间的小灯。上方有一扇门负责把输出接向电源，下方有另一扇门负责把输出接向地线。设计成互补之后，输入处在一种状态时，上门打开、下门关闭；输入换成另一种状态时，下门打开、上门关闭。输出因此能在高电平和低电平间切换。

在稳定的 0 或 1 状态里，理想情况下，连接电源到地的直通路径不会一直敞开，所以没有持续的大电流流过。现实芯片仍会漏电，信号变化时也要给许多微小电容充放电，因此不能说 CMOS 完全不耗电。更准确地说，它让静止状态下的功耗可以很低。

简化的 CMOS 反相器输入 0：上方 pMOS 导通，下方 nMOS 关闭 → 输出接近 1
输入 1：上方 pMOS 关闭，下方 nMOS 导通 → 输出接近 0

它把输入翻转成相反状态；
许多这样的门组合起来，就能构成复杂逻辑。

上面只是最基本的 CMOS 反相器，真实芯片会组合大量不同的逻辑门。要点是：nMOS 与 pMOS 像两组互相配合的门卫，一个负责把输出拉低，一个负责把输出拉高。工程师能用同样的基本方法搭出处理器、存储器和控制电路。

这个省电办法很早就被提出，普及却花了时间

1963 年，仙童实验室的弗兰克·万拉斯（Frank Wanlass）和 C. T. Sah 展示了互补 MOS 逻辑的低待机功耗特性。万拉斯为这种电路思想申请专利。可是，当时的 MOS 制造还不够稳定，速度也受到限制，工程师必须先解决氧化层质量、污染和良率等问题。

后来 CMOS 先在不那么追求极限速度、但很在意电池寿命的产品中找到位置，例如电子手表和便携仪器。到了光刻、硅栅和制造工艺不断进步以后，CMOS 才逐步兼顾更高速度与更大规模。它的历史不是‘一发明就全面胜出’，而是一个方法先有优点，再等整个制造生态追上来。

省下来的电，为什么会越来越重要？

如果芯片里只有几十个开关，功耗通常不难处理。但如果芯片里有数十亿个开关，每秒切换许多次，哪怕每个开关只消耗一点点能量，加起来也会发热。手机需要电池续航，服务器需要散热，汽车电子也要在有限空间里可靠工作，低功耗就变成整个系统的问题。

CMOS 的省电特性并不意味着‘晶体管越多就一定越省电’，也不代表设计者不用管电源和散热。它提供的是一个更适合低静态功耗、大规模集成的基础。下一篇我们把镜头拉远，看看晶体管数量增加与存储器发展怎样互相推动，以及大家常听到的‘摩尔定律’到底是什么。