分立電晶體與積體電路 CPU

由於許多科技廠家投入更小更可靠的電子裝置，設計CPU變得越來越複雜。電晶體的面世便是第一個CPU的飛躍進步。1950到60年代的電晶體CPU不再以體積龐大、不可靠與易碎的開關元件（例如繼電器與真空管）建造。藉由這項改良，更複雜與可靠的CPU便被建造在一個或多個包含分立（離散）元件的印刷電路版上。

在此時期，將許多電晶體放置在擁擠空間中的方法大為普及。積體電路（IC）將大量的電晶體集中在一小塊半導體片，或晶片（chip）上。剛開始只有非常基本、非特定用途的數位電路小型化到IC上（例如逻辑閘）。以這些預裝式IC為基礎的CPU稱為小規模積體電路（SSI）裝置。SSI IC，例如裝置在阿波羅導航電腦上 的那些電腦，通常包含數十個電晶體。以SSI IC建構整個CPU需要數千個獨立的晶片，但與之前的分立電晶體設計相比，依然省下很多空間與電力。肇因於微電子科技的進步，在IC上的電晶體數量越來越 大，因此減少了建構一個完整CPU需要的獨立IC數量。「中規模積體電路」（MSI）與「大規模積體電路」（LSI）將內含的電晶體數量增加到成百上萬。

1964年IBM推出了System/360電腦架構，此架構讓一系列速度與性能不同的IBM電腦可以運行相同的程式。此確實為一項創舉，因為當時的電腦大多互不相容，甚至同一家廠商製造的也是如此。為了實踐此項創舉，IBM提出了微程式（microprogram 或 microcode）概念，此概念依然廣泛使用在現代CPU上(Amdahl et al. 1964)。System/360架構由於太過成功，因此支配了大型電腦數十年之久，並留下一系列使用相似架構，名為IBM zSeries的現代主機產品。同一年（1964），迪吉多（DEC）推出另一個深具影響力且瞄準科學與研究市場的電腦，名為PDP-8。DEC稍後推出非常有名的PDP-11，此產品原先計劃以SSI IC構組，但在LSI科技成熟後改為LSI IC。與之前SSI和MSI的祖先相比，PDP-11的第一個LSI產品包含了一個只用了4個LSI IC的CPU(Digital Equipment Corporation 1975)。

電晶體電腦有許多前一代產品沒有的優點。除了可靠度與低耗電量之外，由於電晶體的狀態轉換時間比繼電器和真空管短得多，CPU也就擁有更快的速度。 幸虧可靠度的提升與電晶體轉換器的切換時間縮短，CPU的时脈頻率在此時期達到十幾百萬赫茲。另外，由於分立電晶體與IC CPU的使用量大增，新的高性能設計，例如SIMD（單指令多資料）、向量處理機（vector processor）開始出現。這些早期的實驗性設計，刺激了之後超級電腦（例如克雷公司）的崛起。