计科02:[电子计算机]

电子计算机

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1. 计算机的发展

20世纪初，早期的计算设备都针对特定用途，比如 制表机，大大推进了政府和企业，它们帮助甚至代替了人工，然而人类社会的规模在以前所未有的速度增长。

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，我们甚至开始考虑登陆其他行星。

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，维护费用高且容易出错，而正是这些机器，为未来的创新打下基础。

2. 哈佛Mark1号

最大的机电计算机之一是：哈佛马克一号。

IBM在1944完成建造，给二战同盟国建造的，它有76万5千个组件，300万个连接点和500英里长的导线。为了保持内部机械装置同步，它有一个50英尺的传动轴，由一个 5 马力的电机驱动。这台机器最早的用途之一 是给”曼哈顿计划”跑模拟，这台机器的大脑是”继电器”。

3. 继电器

继电器是：用电控制的机械开关，继电器里，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，线圈产生电磁场，吸引金属臂，从而闭合电路。你可以把继电器想成水龙头，控制线路就是打开水龙头，水会流出来，关闭水龙头，水就没有了。继电器是一样的，只不过控制的是电子 而不是水。这个控制电路可以连到其他电路，比如马达，马达让计数齿轮+1，就像制表机一样。

不幸的是，继电器内的机械臂是“有质量的“，因此无法快速开关。1940年代一个好的继电器1秒能翻转50次。看起来好像很快，但还不够快，不足以解决复杂的大问题。哈佛马克一号，1秒能做3次加减法运算，一次乘法要花6秒，除法要花15秒，更复杂的操作比如三角函数，可能要一分钟以上。

除了速度慢，另一个限制就是齿轮磨损，任何会动的机械都会随时间磨损。有些部件会完全损坏，有些则是变黏，变慢，变的不可靠。并且随着继电器数量增加，故障概率也会增加。

哈佛马克一号有大约3500个继电器，哪怕假设继电器的使用寿命是10年，也意味着平均每天得换一个故障继电器！

这个问题很严重，因为有些重要运算要运算好几天，而且还有更多其他问题要考虑。

4. BUG的由来

这些巨大、黑色、温暖的机器也会吸引昆虫，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：”从那时起，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。

5. 真空管的出现

如果想进一步提高计算能力，我们需要更快更可靠的东西，来替代继电器。

在1904年，英国物理学家“约翰·安布罗斯·弗莱明”开发了一种新的电子组件，叫“热电子管”，把两个电极装在一个气密的玻璃灯泡里，这就是世上第一个“真空管”。

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”电流。但只有带正电才行，如果带负电荷或中性电荷，电子就无法被吸引，越过真空区域，因此就没有电流。电流只能单向流动的电子部件叫 “二极管”，但是我们需要的是，一个能开关电流的东西。

不久之后的1906年，美国发明家 “李·德富雷斯特”在“弗莱明”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，可以断开或闭合电路。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，这意味着更少的磨损，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。

真空管并不完美，它很脆弱，像灯泡一样会烧坏，但比起机械继电器是一次巨大进步。

6. 巨人1号

第一个大规模使用真空管的计算机是“巨人1号”，由工程师Tommy Flowers 设计，完工于1943年12月。

巨人1号在英国的”布莱切利园”, 用于破解纳粹通信。2 年前 阿兰·图灵也在”布莱切利园”做了台机电装置，叫 “Bombe”，其设计目的是为了纳粹”英格码”通讯加密设备。但Bombe 严格来说不算计算机，后续文章会谈到这个问题。

巨人1号有 1600 个真空管，总共造了 10 台巨人计算机，来帮助破解密码。巨人被认为是第一个可编程的电子计算机，编程的方法是把几百根电线插入插板，有点像老电话交换机，这是为了让计算机执行正确操作。

7. 第一个可编程计算机“ENIAC”

几年后在 1946 年，在”宾夕法尼亚大学”，电子数值积分计算机 “ENIAC”完成建造。设计者是John Mauchly 和 J. Presper Eckert。这是世上第一个真正的通用、可编程电子计算机。

ENIAC 每秒可执行 5000 次十位数加减法，它运作了十年，但因为真空管很多，所以故障很常见。ENIAC 运行半天左右就会出一次故障。

8. 晶体管

到 1950 年代，真空管计算机都达到了极限，美国空军的 AN/FSQ-7 计算机于 1955 年完成，是 “SAGE” 防空计算机系统的一部分。为了降低成本和大小，同时提高可靠性和速度，我们需要一种新的电子开关。

1947 年，贝尔实验室科学家 John Bardeen，Walter Brattain，William Shockley发明了晶体管，一个全新的计算机时代诞生了！

晶体管的物理学相当复杂，这里不做概述。晶体管就像之前提过的“继电器”和“真空管”，它是一个开关，可以用来控制线路和控制开或关。

晶体管有两个电极，电极之间有一种材料隔开它们，这种材料有时候导电，有时不导电，这叫“半导体”。控制线连接到一个”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，来允许或不允许 电流流动。

贝尔实验室的第一个晶体管就展示了巨大的潜力，每秒可以开关 10,000 次，而且，比起玻璃制成，小心易碎的真空管，晶体管是固态的，体型也可远远小于继电器或真空管，导致更小更便宜的计算机。比如1957年发布的IBM 608，第一个完全用晶体管，而且消费者也可以买到的计算机，它有 3000 个晶体管，每秒能执行 4500 次加法，执行 80 次左右的乘除法。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。

晶体管不仅小，还超级快，秒可以切换上百万次，并且能工作几十年。

9. 硅谷的典故和英特尔

很多晶体管和半导体的开发在”圣克拉拉谷”，这个地方在加州，位于”旧金山”和”圣荷西”之间，而生产半导体最常见的材料是 “硅”，而生产半导体最常见的材料是 “硅”。

甚至 William Shockley 都搬了过去，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。