1. 背景

人類社會(huì)規(guī)模的以前所未有的速度不斷增長，20 世紀(jì)上半葉，世界人口幾乎翻倍。一戰(zhàn)動(dòng)員 7 千萬人，二戰(zhàn) 1 億多人，全球貿(mào)易和運(yùn)輸更加緊密，工程和科學(xué)的復(fù)雜度也達(dá)到新高，甚至考慮登陸其他行星，復(fù)雜度的增高導(dǎo)致數(shù)據(jù)量暴增，人們需要更多自動(dòng)化，更強(qiáng)的計(jì)算能力。很快，柜子大小的計(jì)算機(jī)變成房間大小的計(jì)算機(jī)，維護(hù)費(fèi)用高，而且容易出錯(cuò)。

2.「繼電器」時(shí)代：最大的機(jī)電計(jì)算機(jī)之一：哈佛馬克一號(hào)

1944 年，由 IBM完成，給二戰(zhàn)同盟國建造。最早的用途之一：給“曼哈頓計(jì)劃”跑模擬，有 76 萬 5 千個(gè)組件，300 萬個(gè)連接點(diǎn)和 500 英里長的導(dǎo)線，有一個(gè) 50 英尺的傳動(dòng)軸，有一個(gè) 5 馬力的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

這臺(tái)機(jī)器“大腦”是「繼電器」。

• 繼電器：用電控制的機(jī)械開關(guān)。繼電器中有根「控制線路」，控制電路是開還是關(guān)。
• 「控制線路」連著一個(gè)線圈，當(dāng)電流流過線圈，線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，吸引金屬臂，從而閉合電流。
• 比喻：繼電器相當(dāng)于是水龍頭，控制總線相當(dāng)于是水龍頭把。打開水龍頭，水會(huì)流出來。關(guān)閉水龍頭，水就沒了。繼電器干的是一樣的事情，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(dá)，給馬達(dá)計(jì)數(shù)+1。
• 缺點(diǎn)：
• 速度慢：繼電器內(nèi)的機(jī)械臂「有質(zhì)量」，因此無法快速開關(guān)。舉例：1940 年代，一個(gè)好的繼電器 1 秒可以翻轉(zhuǎn) 50 次，看起來很快，但是還是不足以解決復(fù)雜的大問題；1 秒能做 3 次加法或者減法運(yùn)算，1 次乘法要花 6 秒，除法花 15 秒；更復(fù)雜的操作，例如：三角函數(shù)，可能需要一分鐘以上。
• 齒輪磨損：任何會(huì)動(dòng)的機(jī)械都會(huì)隨時(shí)間磨損。
• 隨著繼電器數(shù)量增加，故障概率增加：哈佛馬克一號(hào)有大約 3500 個(gè)繼電器，假設(shè)繼電器的壽命是 10 年，也意味著平均每天要換一個(gè)故障繼電器，這個(gè)問題很嚴(yán)重，因?yàn)橛械倪\(yùn)算需要運(yùn)行好幾天。
• 吸引昆蟲：巨大、黑色、溫暖的機(jī)器會(huì)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只死蟲。Grace Hopper曾說：“每當(dāng)電腦出了問題，我們就說它出了bug(蟲子)” ，這就是術(shù)語bug的來源。

3. 如何提升計(jì)算能力？「真空管」時(shí)代！

如果想要進(jìn)一步提高計(jì)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(xué)家 Ambrose Fleming開發(fā)了新的電子組件 「熱電子管」，是世界上第一個(gè)「真空管」。

  所謂熱電子管是指：把兩個(gè)電極裝在一個(gè)氣密的玻璃燈泡里，其中一個(gè)電極可以加熱，從而發(fā)射電子，這叫「熱電子發(fā)射」；另一個(gè)電極會(huì)吸引電子，形成「電龍頭」的電流，但只有帶正電才行，如果帶負(fù)電荷或者中性電荷，電子就沒有辦法被吸引，越過真空區(qū)域，因此不會(huì)有電流。

• 「二極管」：電流只能單向流動(dòng)的電子部件。我們需要的是一個(gè)能開關(guān)電流的東西。

• 1906 美國發(fā)明家 Lee de Forest, 在 Fleming設(shè)計(jì)的兩個(gè)電極之間，加入了第三個(gè)「控制」電極， 向「控制」電極施加正電荷，它會(huì)允許電子流動(dòng)，但如果施加負(fù)電荷，它會(huì)阻止電子流動(dòng)。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(nèi)沒有會(huì)動(dòng)的組件，也就意味著更少的磨損，更重要的是，每秒可以開閉數(shù)千次，因此這些「三極真空管」成為了無線電，長途電話以及其他電子設(shè)備的基礎(chǔ)，持續(xù)了接近半個(gè)世紀(jì)。

• 「三極真空管」缺點(diǎn)：有點(diǎn)脆弱，像燈泡一樣會(huì)燒壞。但比起繼電器，是一次巨大進(jìn)步。

• 起初，「三極真空管」很貴，收音機(jī)一般只用一個(gè)，計(jì)算機(jī)可能需要成百上千個(gè)電氣開關(guān)，到了 1940 年代，「三極真空管」的成本和可靠性得到改進(jìn)，可以用在計(jì)算機(jī)里，標(biāo)志著計(jì)算機(jī)從機(jī)電轉(zhuǎn)向電子。

舉例

• 「巨人1號(hào)」

  1943 年，由工程師 Tommy Flowers設(shè)計(jì)，完工于 1943 年 12 月，在 Bletchley Park完成組裝，總共制造了 10 臺(tái)巨人計(jì)算機(jī)，用于破解納粹通信，
  是第一個(gè)大規(guī)模使用真空管的計(jì)算機(jī)，有 1600 個(gè)真空管，被認(rèn)為是第一個(gè)可編程的電子計(jì)算機(jī)，但是需要配置。

• 2 年前（1941年），阿蘭·圖靈經(jīng)常被成為「計(jì)算機(jī)科學(xué)之父」。圖靈也在 Bletchley Park做了臺(tái)機(jī)電裝置，叫 Bombe，這臺(tái)機(jī)器設(shè)計(jì)的主要目的是破解納粹「英格碼」通訊加密設(shè)備，但嚴(yán)格來說，Bombe不算計(jì)算機(jī)，

• 電子數(shù)值積分計(jì)算機(jī) ENIAC，1946 年，由 John Mauchly和 J. Presper Eckert設(shè)計(jì)，在賓夕法尼亞大學(xué)完成建造， 這是世界上第一個(gè)真正的通用，可編程，電子計(jì)算機(jī)。它每秒可執(zhí)行 5000 次十位數(shù)加減法，比前輩快了很多。它運(yùn)作了 10 年，據(jù)估計(jì)，比當(dāng)時(shí)全人類加起來還多。

4. 比真空管更快的「晶體管」時(shí)代！

到了 1950 年代，真空管計(jì)算機(jī)都達(dá)到了極限， 新的電子開關(guān)開始被需要。

• 1955 年，美國空軍的 AN/FSQ-7計(jì)算機(jī)完成，是 SAGE防空計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一部分；

• 1947 貝爾實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家 John Bardeen, Walter Brattain, William Shockley發(fā)明了「晶體管」，每秒可以開關(guān) 10,000 次。一個(gè)全新的計(jì)算機(jī)時(shí)代誕生。

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

  • 優(yōu)點(diǎn)：
    • 比起玻璃制成，小心易碎的真空管，晶體管是固態(tài)的；
    • 晶體管可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于繼電器或真空管，不僅小，還超級(jí)快，導(dǎo)致可以制造更小更便宜的計(jì)算機(jī)，例如 1957 年發(fā)布的 IBM 608，第一個(gè)完全用晶體管，而且消費(fèi)者可以買到的計(jì)算機(jī)。它有 3000 個(gè)晶體管，每秒執(zhí)行 4500 次加法，每秒執(zhí)行
      80次左右的乘除法。

舉例：

• IBM很快把所有產(chǎn)品都轉(zhuǎn)向了晶體管，把晶體管計(jì)算機(jī)帶入辦公室，最終引入家庭。
• William Shockley搬到硅谷后，創(chuàng)立了「肖克利半導(dǎo)體」，里面的員工后來成立了「仙童半導(dǎo)體」，這里面的員工后來創(chuàng)立了「英特爾」，當(dāng)今世界上最大的計(jì)算機(jī)芯片制造商。
• 如今，計(jì)算機(jī)中的晶體管小于 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，并且能工作幾十年。

5. 總結(jié)

• 開關(guān)的發(fā)展：繼電器-> 真空管-> 晶體管，讓電路開閉變得非常非常快。
• 計(jì)算機(jī)的發(fā)展 哈佛馬克一號(hào)- 巨人1號(hào)- Bombe-> ENIAC。

總結(jié)

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