第2集 電子計算機

1. 背景

人類社會規模的以前所未有的速度不斷增長，20 世紀上半葉，世界人口幾乎翻倍。一戰動員 7 千萬人，二戰 1 億多人，全球貿易和運輸更加緊密，工程和科學的複雜度也達到新高，甚至考慮登陸其他行星，複雜度的增高導致數據量暴增，人們需要更多自動化，更強的計算能力。很快，櫃子大小的計算機變成房間大小的計算機，維護費用高，而且容易出錯。

2.「繼電器」時代：最大的機電計算機之一：哈佛馬克一號

1944 年，由 IBM 完成，給二戰同盟國建造。最早的用途之一：給“曼哈頓計劃”跑模擬，有 76 萬 5 千個組件，300 萬個連接點和 500 英里長的導線，有一個 50 英尺的傳動軸，有一個 5 馬力的電機驅動。

這臺機器“大腦”是「繼電器」。

• 繼電器：用電控制的機械開關。繼電器中有根「控制線路」，控制電路是開還是關。
• 「控制線路」連着一個線圈，當電流流過線圈，線圈產生磁場，吸引金屬臂，從而閉合電流。
• 比喻：繼電器相當於是水龍頭，控制總線相當於是水龍頭把。打開水龍頭，水會流出來。關閉水龍頭，水就沒了。繼電器乾的是一樣的事情，只不過控制的是電子，而不是水。控制總線作用之一，還可以連接到馬達，給馬達計數+1。
• 缺點：
  1. 速度慢：繼電器內的機械臂「有質量」，因此無法快速開關。舉例：1940 年代，一個好的繼電器 1 秒可以翻轉 50 次，看起來很快，但是還是不足以解決複雜的大問題；1 秒能做 3 次加法或者減法運算，1 次乘法要花 6 秒，除法花 15 秒；更復雜的操作，例如：三角函數，可能需要一分鐘以上。
  2. 齒輪磨損：任何會動的機械都會隨時間磨損。
  3. 隨着繼電器數量增加，故障概率增加：哈佛馬克一號有大約 3500 個繼電器，假設繼電器的壽命是 10 年，也意味着平均每天要換一個故障繼電器，這個問題很嚴重，因爲有的運算需要運行好幾天。
  4. 吸引昆蟲：巨大、黑色、溫暖的機器會吸引昆蟲。1947 年 9 月，哈佛馬克2型的操作員從故障繼電器中拔出一隻死蟲。Grace Hopper 曾說：“每當電腦出了問題，我們就說它出了bug(蟲子)” ，這就是術語bug的來源。

3. 如何提升計算能力？「真空管」時代！

如果想要進一步提高計算能力？需要更快更可靠的東西來代替繼電器。

• 1904年， 英國物理學家 Ambrose Fleming 開發了新的電子組件 「熱電子管」，是世界上第一個「真空管」。

  所謂熱電子管是指：把兩個電極裝在一個氣密的玻璃燈泡裏，其中一個電極可以加熱，從而發射電子，這叫「熱電子發射」；另一個電極會吸引電子，形成「電龍頭」的電流，但只有帶正電纔行，如果帶負電荷或者中性電荷，電子就沒有辦法被吸引，越過真空區域，因此不會有電流。

• 「二極管」：電流只能單向流動的電子部件。我們需要的是一個能開關電流的東西。

• 1906 美國發明家 Lee de Forest, 在 Fleming 設計的兩個電極之間，加入了第三個「控制」電極， 向「控制」電極施加正電荷，它會允許電子流動，但如果施加負電荷，它會阻止電子流動。因此，通過控制線路，可以斷開或者閉合電路。這和繼電器的功能一樣，但重要的是「真空管」內沒有會動的組件，也就意味着更少的磨損，更重要的是，每秒可以開閉數千次，因此這些「三極真空管」成爲了無線電，長途電話以及其他電子設備的基礎，持續了接近半個世紀。

• 「三極真空管」缺點：有點脆弱，像燈泡一樣會燒壞。但比起繼電器，是一次巨大進步。

• 起初，「三極真空管」很貴，收音機一般只用一個，計算機可能需要成百上千個電氣開關，到了 1940 年代，「三極真空管」的成本和可靠性得到改進，可以用在計算機裏，標誌着計算機從機電轉向電子。

舉例

• 「巨人1號」

  1943 年，由工程師 Tommy Flowers 設計，完工於 1943 年 12 月，在 Bletchley Park 完成組裝，總共製造了 10 臺巨人計算機，用於破解納粹通信，
  是第一個大規模使用真空管的計算機，有 1600 個真空管，被認爲是第一個可編程的電子計算機，但是需要配置。

• 2 年前（1941年），阿蘭·圖靈經常被成爲「計算機科學之父」。圖靈也在 Bletchley Park 做了臺機電裝置，叫 Bombe，這臺機器設計的主要目的是破解納粹「英格碼」通訊加密設備，但嚴格來說，Bombe 不算計算機，

• 電子數值積分計算機 ENIAC，1946 年，由 John Mauchly 和 J. Presper Eckert 設計，在賓夕法尼亞大學完成建造， 這是世界上第一個真正的通用，可編程，電子計算機。它每秒可執行 5000 次十位數加減法，比前輩快了很多。它運作了 10 年，據估計，比當時全人類加起來還多。

4. 比真空管更快的「晶體管」時代！

到了 1950 年代，真空管計算機都達到了極限， 新的電子開關開始被需要。

• 1955 年，美國空軍的 AN/FSQ-7 計算機完成，是 SAGE 防空計算機系統的一部分；

• 1947 貝爾實驗室科學家 John Bardeen, Walter Brattain, William Shockley 發明了「晶體管」，每秒可以開關 10,000 次。一個全新的計算機時代誕生。

  「晶體管」就像之前講過的「繼電器」、「真空管」，也是一個開關，可以用控制線路來控制開或者關。它有兩個電極，電極之前有一種材料隔開它們，這種材料有時候有電，有時候不導電，這種材料就是「半導體」，控制線連到一個「門」電極，通過改變「門」的電荷，我們可以控制半導體材料的導電性，來允許或者不允許電流流動。

  • 優點：
    • 比起玻璃製成，小心易碎的真空管，晶體管是固態的；
    • 晶體管可以遠遠小於繼電器或真空管，不僅小，還超級快，導致可以製造更小更便宜的計算機，例如 1957 年發佈的 IBM 608，第一個完全用晶體管，而且消費者可以買到的計算機。它有 3000 個晶體管，每秒執行 4500 次加法，每秒執行
      80次左右的乘除法。

舉例：

• IBM 很快把所有產品都轉向了晶體管，把晶體管計算機帶入辦公室，最終引入家庭。
• William Shockley 搬到硅谷後，創立了「肖克利半導體」，裏面的員工後來成立了「仙童半導體」，這裏面的員工後來創立了「英特爾」，當今世界上最大的計算機芯片製造商。
• 如今，計算機中的晶體管小於 50 納米，而一張紙的厚度大概是 10 萬納米，每秒可以切換上百萬次，並且能工作幾十年。

5. 總結

• 開關的發展：繼電器 -> 真空管 -> 晶體管，讓電路開閉變得非常非常快。
• 計算機的發展 哈佛馬克一號 - 巨人1號 - Bombe -> ENIAC。