电子计算机（2）

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（1）机电计算机

最大的机电计算机之一是哈佛 Mark I，IBM 于 1944 年在第二次世界大战期间为盟军完成。它包含 765,000 个组件、300 万个连接和 500 英里的电线。为了保持其内部机械装置的同步，它使用了一根 50 英尺长的轴穿过机器，由一台五马力的电机驱动。这项技术最早的用途之一是为曼哈顿计划运行模拟。

这些巨大的机电野兽的大脑是继电器：电控机械开关。

在继电器中，有一根控制线来确定电路是打开还是关香芍颗粒闭。控制线连接到继电器内部的线圈。当电流流过线圈时，会产生电磁场，进而吸引继电器内部的金属臂，将其关闭并完成电路。你可以把继电器想象成一个水龙头。控制线就像水龙头把手。打开水龙头北京周边游，水从管子里流过。关闭水龙头，水流停止。继电器也在做同样的事情，只是用电子而不是水。

然后，受控电路可以连接到其他电路，或连接到诸如电机之类的东西，当继电器闭合后，会增加齿轮的计数，就像我们上一集谈到的 Hollerith 的制表机一样（制表机在人口调查卡中的已婚位置出现孔后，电路闭合，shall的用法电机驱动已婚数目对应的齿轮转动加1）。

不幸的是，继电器内部的机械臂有质量，因此不能在打开和关闭状态之间立即移动。 1940 年代的好接力器可能能够在一秒钟内来回轻弹 50 次。这可能看起来很快，但在解决大型复杂问题时还不够快（类似于制表机不能高速地处理人口调查卡）。

哈佛马克我每秒可以做张哲源 3 次加法或减法；乘法需要 6 秒，除法需要 15 秒。更复杂的运算，如三角函数，可能需要一分钟以上。

除了缓慢的切换速度之外，另一个限制是磨损。任何移动的机械都会随着时间的推移而磨损。有些东西完全崩溃，而另一些东西开始变得粘滞、缓慢，而且完全不可靠。

随着继电器数量的增加，发生故障的概率也会增加。哈佛马克我有大约 3500蒋介石评价 个继电器。即使您假设苏拉威西岛继电器的使用寿命为 10 年，这也意味着您平均每天必须更换一个故障继电器！当您正在进行一些重要的多天计算时，这是一个大问题。（10年3650天，3500个继电器，在10年内需要全部更换，平均一天一个继电器）

这并不是所有工程师都必须面对的。这些巨大、黑暗、温暖的机器也吸引了昆虫。 1947 年 9 月，哈佛 Mark II 上的操作员从故障继电器中取出一只死飞蛾。我们将在后面的一集中详细讨论的 Grace Hopper 指出，“从那时起，当计算机出现任何问题时，我们都会说它有bug（昆虫）。”这就是我们得到术语计算机错误的地方。

很明显，如果计算要进一步发展，就需要一种更快、更可靠的机电继电器替代方案，幸运的是，这种替代方案已经存在！

（2）电子管和电子管计算机

1904 年，英国物理学家约翰·安布罗斯·弗莱明 (John Ambrose Fleming) 开发了小松鼠壁挂炉一种新的电子元件，称为热离子阀，它在一个密封的玻璃灯泡内装有两个电极——这是第一个真空管（电子管）。其中一个电极可以被加热，这将导致它发射电子——这一过程称为热离子发射。然后另一个电极可以吸引这些电子以产生我们的电水龙头的流动，但前提是它带正电——如果它带负电或中性电荷，电子将不再被吸引穿过真空，因此没有电流流动。允许电流单向流动的电子元件称为二极管（真空二极管），但真正需要的是一个开关来帮助打开和关闭电流。

幸运的是，不久之后，在 1906 年，美国发明家 Lee de Forest 添加了第三个“控制”电极，位于 Fleming 设计中的两个电极之间。通过向控制电极施加正电荷，它会像以前一样允许电子流动，但如果给控制电极施加负电荷，它将阻止电子流动。因此，通过操纵控制线，可以打开或关闭电路。它与继电器几乎相同——但重要的是，真空管没如何预防乳腺癌有活动部件。这意味着磨损更少，更重要的是，它们每秒可以切换数千次。（真空三极管）

近半个世纪以来，这些真空三极管将成为收音机、长途电话和许多其他电子设备的基础。我应该在这里指出，真空三极管并不完美——它们有点脆弱，会像灯泡一样烧坏，但它们比机械继电器有了很大的改进。(真空三极管在收音机、长途电话用于信号的放大）

此外，最初的真空管价格昂贵——一台收音机通常只使用一个，但一台计算机可能需要成百期望值理论上千个电气开关。但是到了 1940 年代，它们的成本和可靠性已经提高到可以用于计算机的地步……至少对于像政府这样财力雄厚的人来说是这样。这标志着从机电计算向电子计算的转变。(真空三极管在计算机用于开关）

第一次大规模使用真空管进行计算是由工程师 Tommy Flowers 设计并于 1943 年 12 月完成的 Colossus Mk 1。Colossus 安装在英国的布莱切利公园(Bletchley Park)，并帮助解密纳粹通讯。

这听起来可能很熟悉，因为在两年前，通常被称为计算机科学之父的艾伦·图灵 (Alan Turing) 已经在布莱切利公园 创造了一种名为 Bombe 的机电设备。中华传奇它是一种旨在破解纳粹 Enigma 密码的机电机器，但 Bombe 从技术上讲并不是一台计算机，我们稍后将介绍 Alan Turing 的贡献。

无论如何，Colossus 的第一个版本包含 1,600 个真空管，总共生产了 10 个 Colossi 来帮助破解密码。 Colossus 被认为是无铅焊锡膏第一台可编程的电子计算机。西药名称大全编程是通过将数百根电线插入插莎普爱思板来完成的，有点像老式电话交换机，以便设置计算机执行正确的操作。因此，尽管“可编程”，它仍然必须进行配置以执行特定的计算。

进入几年后于 1946 年在宾夕法尼亚大学完成的电子数值积分器和计算器（或称 ENIAC）。这是由 John Mauchly 和 J. Presper Eckert 设计的世界上第一台真正通用的可编程电子计算机（采用是10进制，其编程也是利用电线插入插板完成）。

ENIAC 每秒可以执行 5000 次十位数的加法或减法，比之前的任何机器快很多很多倍。它运行了十年，据估计，到那时为止，它完成的计算比整个人类都要多。但是真空管那么多，故障屡见不鲜，ENIAC一般一次只能运行半天左右就坏了。

到 1950 年代，甚至基于真空管的计算也达到了极限。美国空军的 AN/FSQ-7 计算机于 1955 年完工，是“SAGE”防空计算机系统的一部分，我们将在后面的节目中详细介绍。

（3）晶体管和晶体管计算机

为了降低成本和尺寸，以及提高可靠性和速度，需要一种全新的电子开关。 1947 年，贝尔实验室的科学家 John Bardeen、Walter Brattain 和 William Shockley 发明了晶体管。（3人获得1956年度的诺贝尔物理学奖，John Bardeen和其它两人又获得1972年诺贝尔物理学奖。Bardeen，第一位获得两次诺贝尔物理学奖的科学家，曾开玩笑说，自己其实只是获得了三分之二的诺贝尔奖）

即使是贝尔实验室的第一个晶体管也李庆普显示出巨大的潜力——它每秒可以在开启和关闭状态之间切换 10,000 次。此外，与玻璃制成的真空管和小心悬挂的易碎组件（真空三极管的栅极，发射极）不同，晶体管是固体材料，称为固态组件。

几乎立即，晶体管就可以比尽可能小的继电器或真空管更小。这导致了更小、更便宜的计算机，例如 1957 年发布的 IBM 608——第一台完全由晶体管供电的商用计算机。它包含 3,000 个晶体管，每秒可以执行 4,500 次加法，或大约 80 次乘法或除法。 IBM 很快将其所有计算产品转换为晶体管，将基于晶体管的计算机带入办公室，并最终带入家庭。

今天，计算机使用尺寸小于 50 纳米的晶体管——作为参考，一张纸大约有 100,000 纳米厚。它们不仅非常小，而且速度非常快—弗兰兹—它们每秒可以切换数百万次状态，并且可以运行数十年。

无论如何，Colossus 的第一个版本包含 1,600 个真空管，总共生产 10 个 Colossi 来帮助破解密码。 Colossus 被认为是第一台可编程的电子计算机。y也搬到了那里，创立了肖克利半导体。（肖克利的管理方法和怪异行为引起员工的不满。其中八人决定一同辞职，他们是罗伯特·诺依斯（Robert Noyce）、戈登·摩尔（Gordon Moore）、朱利亚斯·布兰克（Julius Blank）、尤金·克莱尔（Eugene Kleiner）、金·赫尔尼（Jean Hoerni）、杰·拉斯特（Jay Last）、谢尔顿·罗伯茨（Sheldon Roberts）和维克多·格里尼克（Victor Grinich）开封犹太人。后来他们被肖克利称为"八叛逆"（The Traitorous Eight），八人接受位于纽约的仙童摄影器材公司（Fairchild Camera and Instrument）的资助，于1957年创办了仙童半导体公司），仙童半导体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。（“八叛逆”中的最后两位诺依斯和摩尔，他们创办的公司就是大名鼎鼎的英特尔（Intel）

好的，我们已经从继电器到真空管再到晶体管。我们可以非常、非常、非常快地打开和关闭电源。但是我们如何从晶体管女生脱毛到实际计算某些东西，尤其是在我们没有电机诺查丹玛斯和齿轮的情况下？这就是我们将在接下来的几集中介绍的内容。谢谢观看。下周见。