计算机速成课 第二集 电子计算机

1. 背景

人类社会规模的以前所未有的速度不断增长，20 世纪上半叶，世界人口几乎翻倍。一战动员 7 千万人，二战 1 亿多人，全球贸易和运输更加紧密，工程和科学的复杂度也达到新高，甚至考虑登陆其他行星，复杂度的增高导致数据量暴增，人们需要更多自动化，更强的计算能力。很快，柜子大小的计算机变成房间大小的计算机，维护费用高，而且容易出错。

2.「继电器」时代：最大的机电计算机之一：哈佛马克一号

1944 年，由 IBM 完成，给二战同盟国建造。最早的用途之一：给“曼哈顿计划”跑模拟，有 76 万 5 千个组件，300 万个连接点和 500 英里长的导线，有一个 50 英尺的传动轴，有一个 5 马力的电机驱动。

这台机器“大脑”是「继电器」。

• 继电器：用电控制的机械开关。继电器中有根「控制线路」，控制电路是开还是关。
• 「控制线路」连着一个线圈，当电流流过线圈，线圈产生磁场，吸引金属臂，从而闭合电流。
• 比喻：继电器相当于是水龙头，控制总线相当于是水龙头把。打开水龙头，水会流出来。关闭水龙头，水就没了。继电器干的是一样的事情，只不过控制的是电子，而不是水。控制总线作用之一，还可以连接到马达，给马达计数+1。
• 缺点：
  1. 速度慢：继电器内的机械臂「有质量」，因此无法快速开关。举例：1940 年代，一个好的继电器 1 秒可以翻转 50 次，看起来很快，但是还是不足以解决复杂的大问题；1 秒能做 3 次加法或者减法运算，1 次乘法要花 6 秒，除法花 15 秒；更复杂的操作，例如：三角函数，可能需要一分钟以上。
  2. 齿轮磨损：任何会动的机械都会随时间磨损。
  3. 随着继电器数量增加，故障概率增加：哈佛马克一号有大约 3500 个继电器，假设继电器的寿命是 10 年，也意味着平均每天要换一个故障继电器，这个问题很严重，因为有的运算需要运行好几天。
  4. 吸引昆虫：巨大、黑色、温暖的机器会吸引昆虫。1947 年 9 月，哈佛马克2型的操作员从故障继电器中拔出一只死虫。Grace Hopper 曾说：“每当电脑出了问题，我们就说它出了bug(虫子)” ，这就是术语bug的来源。

3. 如何提升计算能力？「真空管」时代！

如果想要进一步提高计算能力？需要更快更可靠的东西来代替继电器。

• 1904年， 英国物理学家 Ambrose Fleming 开发了新的电子组件 「热电子管」，是世界上第一个「真空管」。

  所谓热电子管是指：把两个电极装在一个气密的玻璃灯泡里，其中一个电极可以加热，从而发射电子，这叫「热电子发射」；另一个电极会吸引电子，形成「电龙头」的电流，但只有带正电才行，如果带负电荷或者中性电荷，电子就没有办法被吸引，越过真空区域，因此不会有电流。

• 「二极管」：电流只能单向流动的电子部件。我们需要的是一个能开关电流的东西。

• 1906 美国发明家 Lee de Forest, 在 Fleming 设计的两个电极之间，加入了第三个「控制」电极， 向「控制」电极施加正电荷，它会允许电子流动，但如果施加负电荷，它会阻止电子流动。因此，通过控制线路，可以断开或者闭合电路。这和继电器的功能一样，但重要的是「真空管」内没有会动的组件，也就意味着更少的磨损，更重要的是，每秒可以开闭数千次，因此这些「三极真空管」成为了无线电，长途电话以及其他电子设备的基础，持续了接近半个世纪。

• 「三极真空管」缺点：有点脆弱，像灯泡一样会烧坏。但比起继电器，是一次巨大进步。

• 起初，「三极真空管」很贵，收音机一般只用一个，计算机可能需要成百上千个电气开关，到了 1940 年代，「三极真空管」的成本和可靠性得到改进，可以用在计算机里，标志着计算机从机电转向电子。

举例

• 「巨人1号」

  1943 年，由工程师 Tommy Flowers 设计，完工于 1943 年 12 月，在 Bletchley Park 完成组装，总共制造了 10 台巨人计算机，用于破解纳粹通信，
  是第一个大规模使用真空管的计算机，有 1600 个真空管，被认为是第一个可编程的电子计算机，但是需要配置。

• 2 年前（1941年），阿兰·图灵经常被成为「计算机科学之父」。图灵也在 Bletchley Park 做了台机电装置，叫 Bombe，这台机器设计的主要目的是破解纳粹「英格码」通讯加密设备，但严格来说，Bombe 不算计算机，

• 电子数值积分计算机 ENIAC，1946 年，由 John Mauchly 和 J. Presper Eckert 设计，在宾夕法尼亚大学完成建造， 这是世界上第一个真正的通用，可编程，电子计算机。它每秒可执行 5000 次十位数加减法，比前辈快了很多。它运作了 10 年，据估计，比当时全人类加起来还多。

4. 比真空管更快的「晶体管」时代！

到了 1950 年代，真空管计算机都达到了极限， 新的电子开关开始被需要。

• 1955 年，美国空军的 AN/FSQ-7 计算机完成，是 SAGE 防空计算机系统的一部分；

• 1947 贝尔实验室科学家 John Bardeen, Walter Brattain, William Shockley 发明了「晶体管」，每秒可以开关 10,000 次。一个全新的计算机时代诞生。

  「晶体管」就像之前讲过的「继电器」、「真空管」，也是一个开关，可以用控制线路来控制开或者关。它有两个电极，电极之前有一种材料隔开它们，这种材料有时候有电，有时候不导电，这种材料就是「半导体」，控制线连到一个「门」电极，通过改变「门」的电荷，我们可以控制半导体材料的导电性，来允许或者不允许电流流动。

  • 优点：
    • 比起玻璃制成，小心易碎的真空管，晶体管是固态的；
    • 晶体管可以远远小于继电器或真空管，不仅小，还超级快，导致可以制造更小更便宜的计算机，例如 1957 年发布的 IBM 608，第一个完全用晶体管，而且消费者可以买到的计算机。它有 3000 个晶体管，每秒执行 4500 次加法，每秒执行
      80次左右的乘除法。

举例：

• IBM 很快把所有产品都转向了晶体管，把晶体管计算机带入办公室，最终引入家庭。
• William Shockley 搬到硅谷后，创立了「肖克利半导体」，里面的员工后来成立了「仙童半导体」，这里面的员工后来创立了「英特尔」，当今世界上最大的计算机芯片制造商。
• 如今，计算机中的晶体管小于 50 纳米，而一张纸的厚度大概是 10 万纳米，每秒可以切换上百万次，并且能工作几十年。

5. 总结

• 开关的发展：继电器 -> 真空管 -> 晶体管，让电路开闭变得非常非常快。
• 计算机的发展 哈佛马克一号 - 巨人1号 - Bombe -> ENIAC。