真空管时代

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真空管时代

现在我们通常所说的计算机其实就是指电子计算机，其核心元件是很多三极管，而现在体积很少的芯片，其实核心也是一堆三极管，是半导体三极管，与一些外围元件按一定规则连接在一起，形成逻辑单元电路或存储单元电路。但最早造电子计算机时这些技术还没有发明出来，只能用真空三极管，每一个都像一个小灯泡。

真空管(Vacuum Tube)，由弗来明(John Ambrose Fleming)在1904年发明的，这是一种真空二极管，使用玻璃外壳密封，里面装上碳丝和铜板做阴极和阳极，并抽成接近真空。它具有单向导通能力，主要用于交流电整流和无线电检波。1907年，德福雷斯特（Lee de Forest）在真空二极管中装入另一个电极--栅极，当在栅极加上微弱的电压就可以控制阴极到阳极之间的电流，形成一种压控电流器件，这就是真空三极管。后来在真空三极管基础上还发展出四极管、五极管、七极管等多种，用于放大或变频等功能，用于无线电等设备中。到1960年前后，西方国家的无线电工业年产10亿只无线电真空管。这种真空管也被称为电子管，现在的一些高档音频功率放大（称为胆机）、大功率无线电发射机中还有使用，还有一些变形的品种，如行波管、磁控管等，在微波炉、雷达及通信卫星中还在普遍使用。

当然，这种真空三极管，也可以作为压控开关使用，而且这种开关的速度比继电器要快得多，用来制作电子计算机也很合适。当然，真空管与继电器相比有个明显的缺点，就是比较耗电，因为真空管要正常工作，必须要先让灯丝加热到一定温度，比控制继电器闭合需要的功率要大很多，而且每只真空管都要处在加热状态，但继电器的的另一个状态基本是不耗电的。另一个问题是真空管的寿命比较短，长期通电工作容易失效，大量使用时整个设备的可靠性就比较低，需要经常更换。

最早使用电子管的计算机，现在公认的是ABC计算机(Atanasoff–Berry Computer)，是以设计了这台计算机的两个人的名字来命名的。其中，阿塔纳索夫(John Vincent Atanasoff)是美国爱荷华州立大学物理系的副教授，贝瑞(Clifford E. Berry)是他的研究生及助手，1937年为了求解线性方程组而设计，1939年10月开始运转。ABC计算机只使用了300个电子管，相对比较简单，是一种专用计算机，不能进行编程。

当时第二次世界大战正在如火如荼地进行，为了研制新型大炮及其他武器，美国陆军军械部在马里兰州设立的弹道研究实验室（Ballistics Research Laboratory），每天面临大量的弹道计算问题，而当时的机械计算器及已经出现的继电器计算机的计算能力不能满足需要。当时任职于宾夕法尼亚大学莫尔电机工程学院电力工程学教授的莫希利(John Mauchly)于1942年提出了试制"高速电子管计算装置"的设想，用电子管代替继电器以提高计算速度。

美国军方拨款15万美元成立了一个以莫希利、埃克特(John Eckert)为首的研制小组，给予大力支持。不过，这台 ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Calcula，电子数字积分计算机)在战后的1946年2月才建成。这是一个庞然大物，使用了1.7万个真空管，长30多米，宽6米，高2.4米，占地约170平方米，重达30吨，耗电量150千瓦，造价48万美元。它每秒可以执行5000次加法或400次乘法，是继电器计算机的1000倍，计算能力上领先很多。

ENIAC虽然认为是可编程的，但改变程序的方式是改变接线板上的导线的接法，可能为了改变那些接线需要花几天时间，这种编程方式比Mark I这种继电器计算机相比都有不少差距。而且ENIAC使用的是十进制数，所以机器结构非常复杂。

在ENIAC还没有完成，另外一台计算机EDVAC(Electronic Discrete variable Automatic Computer，离散变量自动电子计算机）的建造计划已于1944年8月提出来了，同样是为美国陆军阿伯丁试验场的弹道研究实验室研制。当时正在参与曼哈顿计划（Manhattan Project）的冯·诺依曼（John von Neumann），为了项目的计算问题也参与了Mark I与ENIAC的项目，通过比较两种机器的性能和结构，在共同讨论基础上，于1945年3月起草了关于EDVAC的设计报告，其中提出了制造电子计算机的新思想，明确了新机器由运算器、逻辑控制装置、存储器、输入和输出设备五个部分组成，还描述了这五部分之间的关系，并提出应采用存储程序以及二进制编码，对以后建造的电子计算机影响很大。

按这种设计思想完成的EDVAC于1949年8月交给弹道研究实验室，在发现和解决许多问题之后，直到1951年EDVAC才开始运行。EDVAC采用了6000个电子管，占地45平方米，重7.8吨，耗电56千瓦，造价50万美元。这台机器在电子管使用量、体积、重量及耗电量上都比ENIAC减少很多。

在冯·诺依曼的指导下，普林斯顿高等研究院（IAS，Institute for Advanced Study in Princeton）在1945年到1951年研制了IAS计算机（IAS machine），使用了1700个电子管，包括了用来驱动存储器的150个五极管，还有40个用于存储数据的威廉管（Williams tube），也称静电存储管。早期的计算机，如EDVAC使用的是延迟线存储器（Delay line memory），但速度比较慢而且不是随机存储，后来英国曼彻斯特大学开发了威廉管用于存储数据，并被很多机型采用，后来逐渐被磁鼓、磁芯等替代。IAS计算机的存储器既作为指令存储器也作为数据存储器，这种计算机结构被称为普林斯顿体系结构（Princeton architecture），也称为冯·诺依曼体系结构（Von Neumann architecture），与指令存储器与数据存储器分离的哈佛体系结构相区别。

其实，在IAS及EDVAC之前，英国剑桥大学已有一种采用冯·诺依曼设计思想的电子计算机建成，这就是EDSAC(Electronic Delay Storage Automatic Calculator，电子延迟存储自动计算器)，1949年完成。

EDSAC使用了约3000个真空管，占地5×4米，功率消耗12KW，使用水银延迟线作存储器，利用穿孔纸带输入和电传打字机输出，工作在500kHz。EDSAC的非凡的特征是提供了大量的子程序，到1951年，EDSAC含有87个子程序，涵盖浮点运算、复数运算、除法、幂、n次方根、幂级数、对数、三角函数、微分方程、输入输出、向量和矩阵、循环等，当然是保存在纸带上的。

另外值得一说的是，EDSAC是最早商用的电子计算机。威尔克斯(Maurice Vincent Wilkes)在建造EDSAC时遇到了资金困难，说服了伦敦一家食品公司J.Lyons&Co投资，当然Lyons公司也获得了批量生产的权利，这就是LEO计算机。所以有第一家生产出商品化计算机的厂商是面包房的调侃。

虽然最早设计的计算机主要是为了军事目的，但在英美这些商业发达的国家，转化成民用品是非常迅速的。最早设计ENIAC和EDVAC计算机的莫希利、埃克特因为与曾供职的宾夕法尼亚大学莫尔电机工程学院（Moore School of Electrical Engineering）产生专利权纠纷而离职（也因此造成EDVAC的延期交付），于1946年成立了自己的莫奇利-艾克特电子计算机公司，但因为遇到资金困难，后来加入了雷明顿兰德（Remington Rand）公司。他说服美国人口普查局（United States Census Bureau）订购了EDVAC II计算机，后来被命名为UNIVAC I（UNIVersal Automatic Computer），采用磁带机作外存储器，1951年被用于人口普查工作，成为美国的第一台商用计算机。后来这款计算机制造了50台作为商品出售。后来经几次并购，这家公司成为优利（UNISYS）公司的一部分。

而最早投资Mark I继电器计算机的IBM，后来与艾肯及哈佛大学出现矛盾，退出后续的项目，而推出使用继电器的可做除法的计算器IBM 602及使用真空管的机型IBM 603。1953年，IBM采用IAS机型研制自己的计算机型IBM 701，且批量制造，并通过后续的一系列机型而获得商业上的成功，奠定自己在大型机上的霸主地位。到1958年11月推出IBM709 ，这是IBM的最后一款电子管计算机，耗电100~250千瓦，而为了对这个庞然大物冷却也需要差不多这些功率。而Fortran语言也是最早在这台机器上实现的。

而在英国，英国国家物理实验室(NPL)于1950年代早期设计了Pilot ACE计算机，使用大约800个真空管，这是由图灵（Alan Mathison Turing）构想的，后来威尔金森（James Hardy Wilkinson）接手，其商业机型名叫DEUCE，由英国电气公司(English Electric)制造和销售。Pilot ACE计算机的早期的忠实用户是英国陆军测量局，用来分析图表和绘制地图。这种机型在当时的利润是每小时30英镑。

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