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:
- 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。
- 齿轮磨损:任何会动的机械都会随时间磨损。
- 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。
- 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。
- 优点:
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
。
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