TRICONEX 9753-1XX 电子内存用作储存程序的概念
由于许多科技厂家投入更小更可靠的电子设备，使得设计CPU变得越来越复杂。晶体管的面世即是CPU第一个质的飞跃。1950到60年代的晶体管CPU不再以体积庞大、不可靠与易碎的开关器件（例如继电器与真空管）建造。借由这项改良，更加复杂与可靠的CPU便被建造在一个或多个包含分立（离散）器件的印刷电路板上，从而向体积小、可靠与不易损坏方向发展。
在此时期，将许多晶体管放置在拥挤空间中的方法大为普及。集成电路（IC）将大量的晶体管集中在一小块半导体片，或芯片（chip）上。刚开始只有非常基本、非特定用途的数字电路小型化到IC上（例如NOR逻辑闸）。以这些预装式IC为基础的CPU称为小规模集成电路（SSI）设备。SSI IC，例如设备在阿波罗导航计算机上的那些计算机，通常包含数十个晶体管。以SSI IC建构整个CPU需要数千个独立的芯片，但与之前的分立晶体管设计相比，依然省下很多空间与电力。肇因于微电子科技的进步，在IC上的晶体管数量越来越大，因此减少了建构一个完整CPU需要的独立IC数量。“中规模集成电路”（MSI）与“大规模集成电路”（LSI）将内含的晶体管数量增加到成百上千。
1964年IBM推出了System/360计算机架构，此架构让一系列速度与性能不同的IBM计算机可以运行相同的程序。此确实为一项创举，因为当时的计算机大多互不兼容，甚至同一家厂商制造的也是如此。为了实践此项创举，IBM提出了微程序概念，此概念依然广泛使用在现代CPU上。[3]System/360架构由于太过成功，因此主宰了大型计算机数十年之久，并留下一系列使用相似架构，名为IBM zSeries的现代主机产品。同一年（1964），迪吉多（DEC）推出另一个深具影响力且瞄准科学与研究市场的计算机，名为PDP-8。DEC稍后推出非常有名的PDP-11，此产品原先计划以SSI IC构组，但在LSI技术成熟后改为LSI IC。与之前SSI和MSI的祖先相比，PDP-11的第一个LSI产品包含了一个只用了4个LSI IC的CPU。[4]
晶体管计算机有许多前一代产品没有的优点。除了可靠度与低耗电量之外，由于晶体管的状态转换时间比继电器和真空管短得多，CPU也就拥有更快的速度。得益于可靠度的提升和晶体管转换器切换时间的缩短，CPU的时钟频率在此时期达到十几百万赫兹。另外，由于分立晶体管与IC CPU的使用量大增，新的高性能设计，例如SIMD（单指令多数据）、向量处理机开始出现。这些早期的实验性设计，刺激了之后超级计算机（例如克雷公司）的崛起。
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