书接上回。欢迎来到20世纪，这是一个悲伤的世纪，发生了两场世界大战。这又是一个充满激情与创意的世纪，我们熟悉的各种科学理论与科技产品纷纷出现，二进制运算、量子力学、电子管、晶体管……奇思妙想不断闪耀光芒。这还是一个英雄辈出的时代，范内瓦、图灵、香农、冯·诺依曼……正排着队向我们走来。这更是一个技术门派不断兴替的江湖，机械派、机电派、电子派……你方唱罢我登台。江湖为什么精彩？因为江湖中有英雄，有起伏跌宕的人生，有数不尽的传说！

　　因本文篇幅较长，所以我试着编了回目：

第七回 ENIAC精彩亮相，晶体管雏凤新声

第八回 两书生商场饮恨，直拉法晶圆现世

第九回 学科祖魂归天界，双子星降临人间

第七回 ENIAC精彩亮相，晶体管雏凤新声

　　1946年2月14日晚上，大名鼎鼎的ENIAC正式亮相，并于次日交付。它的最终造价是48.7万美元，相当于今天的700多万美元。诞生于一个浪漫日子的ENIAC是一个庞然大物，重达27吨，总长约30米，高约4米，厚约0.9米，占地约167平米，需要布置在一个很大的房间。它有18000个电子管、70000个电阻、10000个电容和1500个继电器，以及500万个焊接点，每小时吞掉150kW电量。功耗之大，一度传出夸张的谣言：ENIAC一启动，整个费城的灯光都要暗下一截。

ENIAC在莫尔学院

　　ENIAC主要由40块模块化的功能面板组成，贴着机房的3面墙壁呈U型排布，面板之间通过下侧的接插线板相连。它们的相对位置不是固定的，可根据使用需要或习惯进行调换。此外，有3台可移动函数表通过接插线板与这些面板相连，读卡器和穿孔机直接连接至输入和输出模块的面板。

ENIAC在莫尔学院的模块分布示意图（俯视）

主编程模块占据2块面板，其上分布着密密麻麻的旋钮，使用者可以在此编程，设置各个电信号的走向和先后顺序，就实现了所谓的结构化编程，即程序不再只能从头到尾顺序执行，它可以有条件分支和循环分支等复杂结构。

上图中两位程序员之间的4块面板即初始化模块、时钟周期模块和主编程模块。图中两位女程序员分别是贝蒂·吉恩·詹宁斯（左）和弗朗西丝·比拉斯（右）。比起诸多早已使用二进制或混合编码的前辈，仍然使用十进制的ENIAC就显得有些原始了。埃克特和莫奇利从机械计算器中的十齿齿轮获得灵感，用10个电子管电路存储1个数位，分别表示0～9，同一时间只有1个电路导通，以表示该数位上的值。这意味着，每个累加器需要100个这样的电路，并且，事实上每个电路平均要用到3.6个电子管。虽然比较浪费，但至少降低了设计难度。数据的输入输出设备是现成的IBM读卡器和穿孔机，分别受控于输入模块和输出模块。每张穿孔卡片可存8个10位十进制数，读取一张卡片需要0.48秒，穿孔一张卡片需要0.6秒。输入、输出模块分别占据3块面板，均使用继电器临时存储数据，它们是连接机器外部和内部的数据缓存池，比起内部的运算速度，读卡和制卡动作是如此之慢，所以没有必要使用电子管，毕竟继电器要便宜得多。

　　起初，ENIAC的可靠性非常糟糕，每天都会烧坏几个电子管，机器几乎只有一半时间能正常工作，剩下的一半时间都在寻找和替换这些罢工的电子管。不多久，工程师们发现电子管子在工作期间的可靠性其实很高，只是在加热和冷却阶段容易失效，而弹道研究实验室为了节省能源和值班人力，每天夜里都会关机，却不料拣了芝麻丢了西瓜。保持常开后，ENIAC的可靠性大幅提升，平均每两天才有1个电子管失效，并且只要15分钟就能找到它。ENIAC持续运行时间最长的一次是在1954年，它一口气跑了116个小时，接近5天。

　　就这样，ENIAC带着空前的计算能力来到了世上，拿下一条弹道仅需30秒，速度是人的2400倍。ENIAC团队毫不夸张地类比道：我们得出弹道所需的时间，比导弹实际飞行的时间还要短。不过此时，二战已经结束，ENIAC并没有达成最初被寄予的厚望。好在莫奇利的设计是图灵完备的，人们很快为ENIAC找到了其他用武之地，比如气流分析和天气预测等，最重要的还是在氢弹研制中的应用。研制出广岛和长崎原子弹的洛斯·阿拉莫斯国家实验室将ENIAC用于氢弹相关的计算，消耗了100万张穿孔卡片。

　　ENIAC有着比巨人机更多的旋钮和接插线孔位，在它上面编程十分复杂。ENAIC最早的6位程序员是从莫尔学院培训的女计算员中选拔出来的，她们不仅聪慧过人，而且细致耐心。经过一段时间的学习，她们对ENIAC的工作机制了如指掌，将数学家们的想法精准地转换为旋钮和接插线的位置组合。她们的认真与细致最大程度上减少了Bug的出现，是ENIAC正常运行的重要保障。1946年2月14日，ENIAC第一次公开演示的程序就出自她们之手。ENIAC之后，她们还参与到其他具有历史意义的计算机项目中（比如最早的商业电子计算机UNIVAC和BINAC），继续发挥不可替代的作用。她们的名字是：凯瑟琳·安东内利（Kathleen Antonelli）、贝蒂·吉恩·詹宁斯（Betty Jean Jennings）、弗朗西斯·伊丽莎白·霍尔伯顿（Frances Elizabeth Holberton）、马琳·梅尔泽（Marlyn Meltzer）、弗朗西丝·比拉斯（Frances V. Bilas）、露丝·泰特尔鲍姆（Ruth Teitelbaum）。

　　长久以来，人们都误认为第一台电子计算机是ENIAC，而对ABC一无所知。1967年，美国两家公司为此打了一场官司，经过长时间的取证和前后135天的听证会，法院最终在1973年10月19日宣布ENIAC的专利（长达207页、凝聚了无数智慧和心血的专利）无效。这称得上是一次著名的“冤假错案”了，毕竟此前阿塔纳索夫并没有为ABC申请专利，而打官司的也不是ABC和ENIAC的设计者本人。最重要的是，ENIAC实现了许多ABC所没有的功能，并且切实地投入了实际应用（而ABC更接近于一台未能完整实现的原型机）。时过境迁，历史终会给出更公正的判决：ABC实至名归是第一台电子计算机，而ENIAC是第一台通用电子计算机，两者并无冲突。（ENIAC是图灵完备的，而ABC不是）

　　同年，冯·诺依曼预感到美苏两个超级大国之间的对抗已不可避免，而要在这场对抗中占得优势，他认为一是要继续发展核武器，以取得绝对优势的核威慑力量；而另一个关键是则是发展大型计算机。冯·诺依曼决定回普林斯顿，并促使美国高等研究院（IAS）开展电子计算机的研制工作。

　　IAS缺少实践型的人才，为此冯·诺依曼向戈德斯坦、伯克斯和埃克特发出邀请，希望他们可以来高等研究院主持计算机的研制工作。戈德斯坦与伯克斯二话不说，立即追随冯·诺依曼而去。但埃克特拒绝了，因为冯·诺依曼没有邀请莫奇利。此时的莫奇利在莫尔学院已成为极不受待见的人。在别人眼里，莫奇利傲慢自大、不懂礼貌，喜欢指手划脚又无真才实学。没人喜欢和莫奇利相处，除了埃克特。埃克特始终认为，莫奇利对他有知遇之恩。如果不是莫奇利，他一个连硕士学位都还没拿到手的毛头小子，是无论如何也不能有今天的成就的。因此，不管别人怎么看待莫奇利，他都会一直追随他。

冯·诺依曼与IAS计算机，计算机下方一排圆筒状的物体为威廉姆斯管存储器

　　同年，弗雷迪·威廉姆斯（Freddie Williams）和汤姆·吉尔伯恩（Tom Kilburn）发明威廉姆斯-吉尔伯恩管（Williams-Kilburn Tube）（一般称威廉姆斯管）。它是一种用于存储二进制数据的阴极射线管，也是史上最早的随机存取存储器，早期的许多计算机身上都能看到它的身影。阴极射线管（cathode ray tube，CRT，又称显像管）是由德国物理学家卡尔·布劳恩（Karl Ferdinand Braun，1850年6月6日—1918年4月20日）于1897年发明的。

威廉姆斯管存储器

　　1947年，艾肯在哈佛大学创立了计算机实验室，并担任实验室的主任。在艾肯的领导下，哈佛计算机实验室成为当时美国领先的计算机技术研究中心和人才培训基地。同时，艾肯还在哈佛大学率先开设了“大型数学计算机”这一课程，随后又引入了计算机研究生课程，成为世界上第一位计算机科学教授，也使得哈佛大学成为了最早授予计算机硕士和博士学位的大学。而近10年之后，其它大学才陆续开设这一专业，并模仿着艾肯的教学体系。

　　艾肯本人带出了15名博士生，还有一批在研制Mark系列计算机时的助手。后来，这些人大都成为了全球计算机技术领域大师级人物。

　　同年2月23日，国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO）成立，并且从此在标准化编程语言和其它通用计算类别比如操作系统方面扮演重要角色。

　　同年12月23日，在贝尔实验室，一块三角形塑料片、一条金箔、一个弹簧和一片放在铜板上方的薄锗半导体材料被组合在一起，当今世界上最重要的电子元器件“晶体管”就这样诞生了。

贝尔实验室制作的第一支晶体管（点接触晶体管）

　　这第一块晶体管的诞生有一个曲折的经历。原本肖克利根据莫特—肖特基的整流理论，并结合自己的实验结果作出了重要的预言。他认为，假如半导体片的厚度与表面空间电荷区厚度相差不多，就有可能用垂直于表面的电场来调制薄膜的电阻率，从而使平行于表面的电流也受到调制。这就是所谓“场效应”。可是，当人们按照肖克利的理论设想进行实验时，却得不到明显的效果。

　　肖克利认识到自己在实验能力方面的不足，求助于部门成员约翰·巴丁（John Bardeen，1908年5月23日—1991年1月30日）和沃尔特·布拉顿（Walter H. Brattain，1902年2月10日—1987年10月13日）。巴丁是一位优秀的理论物理学家，他提出了半导体表面态理论，解释了在外加电场的作用下，电子被吸引到半导体的表面并被束缚在那里，形成了严密的屏蔽作用，从而导致一直观测不到场效应。

　　为了破除屏蔽作用，经过反复尝试他们终于想出一个好点子：在锗表面安置两个靠得非常近的触点，近到大约5×10^-3厘米的样子，这样既可以不让二者直接连通，又可以破除屏蔽作用。但最细的导线直径都要10×10^-3厘米，要安置这么近的触点几乎不可能。实验经验丰富的布拉顿想出了一条妙计。他剪了一片三角形的塑料片，并在其狭窄而平坦的两条侧面上牢牢地粘上一条金箔。然后用刀片在三角形塑料片的顶端对金箔拉了一刀，把它割成两半（这样靠得非常近的触点就有了）。再用弹簧加压，把塑料片和金箔一起压在锗片上。于是，他们做成了世界上第一只半导体三极管放大器，取名为trans-resistor（转换电阻），后来缩写为transistor，中文译名就是晶体管。

第一块晶体管组成说明

　　当天巴丁与布拉顿制作出晶体管时，肖克利没在现场，后来闻讯才赶过来见证了晶体管的放大效果。但他知道这样的点接触型晶体管实用性不强。它同矿石检波器一样，利用触须接点，不稳定，噪声大，频率低，放大功率小，性能还赶不上电子管，制作又很困难。他投入了紧张的工作，要发明一种更先进的晶体管。

　　1948年4月，ENIAC团队通过线路改造使ENIAC具备了存储程序的能力，但其容量对于程序来说还是太小了。实现存储程序的关键是建造容量足够大的内部存储器，要既有不拖累电子运算的访问速度，也要有相对低廉的成本。一时间，沿着冯·诺依曼结构指明的道路，计算机界百花齐放，涌现出各种不同的存储器。

　　同年5月12日，第一台冯·诺依曼结构的计算机ARC2在英国投入使用。它是由伦敦大学伯贝克学院的物理学家安德鲁·布思（Andrew Donald Booth，1918年2月11日－2009年11月29日）研制的，这台计算机设计用于X射线研究，原名ARC（Automatic Relay Calculator，自动继电器计算器）。布思在一次赴美的学术访问中接触到了冯·诺依曼，经过一番交流，他豁然开朗，回国后旋即将ARC升级为冯·诺依曼结构，改称ARC2。

　　ARC2是机电结构的主要由继电器构成，只包含少量的电子管，其存储器是表面覆盖着金属镍的滚筒状磁鼓。访美期间，布思发现美国人使用的录音机是在一种表面覆盖着磁性氧化物的圆形纸片上记录声音的，由于磁性物质具有南北两极，可以表示二进制数据，布思决定把它引进到计算机中。但是圆形纸片太软了，在高速旋转时难以保持平坦，布思便改用了不会变形的磁鼓，与软盘的发明失之交臂。

这是用于验证的磁鼓存储器原型，ARC2上实用的磁鼓要更大些

　　ARC2的磁鼓可以存储256个字长为21位的字，磁鼓表面被均匀地划分为5376块小区域，每块小区域存储一个二进制位。靠近磁鼓表面的地方有个导电的读写头，当读写头中有电流经过，由磁效应产生的磁场会将正对读写头的小区域磁化，即小区域中的金属镍整齐地将南极（或北极）指向同一个方向，电流的方向相反，磁化的方向也就相反，两个方向分别表示0和1。反之，利用电磁感应原理，当磁鼓旋转时，磁化方向各异的区域依次掠过读写头，读写头中就会产生方向不断变化的电流，便读到了二进制数据。 ARC2成功后，布思创办了一家公司，专门生产磁鼓和其他计算机部件。磁鼓存储器一直风靡至60年代，直到被后来速度更快的磁芯存储器赶下舞台。

　　同年11月，肖克利的论文《半导体中的P-N结和P-N结型晶体管的理论》发表于贝尔实验室内部刊物。肖克利构思出了更先进的“双极结型晶体管”（Bipolar Junction Transistor，BJT），其结构像“三明治”夹心面包那样，把N型半导体夹在两层P型半导体之间。这是一个天才的伟大设计！直到双极结型晶体管出现，晶体管才真正具备实用价值。也是从这时开始拉开电子管退出历史舞台，晶体管逐步上位的序幕。

晶体管的三位发明人：巴丁（左）、肖克利（中）、布拉顿（右）

　　晶体管的出现是电子技术发展史上一座里程碑。同电子管相比，晶体管具有诸多优越性：

晶体管的构件是不会消耗的。无论多么优质的电子管，都将因阴极原子的变化和慢性漏气而逐渐劣化。晶体管的寿命一般比电子管长100到1000倍，称得起永久性器件的美名。晶体管消耗电子极少，仅为电子管的十分之一或几十分之一。它不像电子管那样需要加热灯丝以产生自由电子。一台晶体管收音机只要几节干电池就可以半年一年地听下去，而电子管收音机完全做不到。晶体管不需预热，一开机就工作。显然，在军事、测量、记录等方面，晶体管是非常有优势的。晶体管结实可靠，耐冲击、耐振动，这都是电子管无法想象的。晶体管的体积只有电子管的十分之一到百分之一，放热很少，可用于设计小型、复杂、可靠的电路。晶体管的制造工艺虽然精密，但工序简便，有利于提高元器件的安装密度，为发展为集成电路铺平了道路。

　　正因为晶体管的性能如此优越，晶体管诞生之后，便被广泛地应用于工农业生产、国防建设以及人们日常生活中，最终使人类社会面貌发生翻天覆地的变化。

　　如果您想了解晶体管诞生的更多细节及技术原理，请看我写的一篇番外第一块晶体管背后的故事（《计算机发展时间线》番外）。

第八回 两书生商场饮恨，直拉法晶圆现世

　　同年12月，世界上第一家商业计算机公司EMCC（Eckert-Mauchly Computer Company）宣告诞生，由ENIAC的研制者莫奇利任董事长，埃克特担任副董事长兼技术总监。

　　在ENIAC成功运行以后，宾夕法尼亚大学认为ENIAC属职务发明，要求莫奇利和埃克特将ENIAC专利交还给大学。两人负气出走，在费城一栋临街的小楼里，组建了ECC（Electronic Control Company，电子控制公司），但他们没有给公司注册。埃克特对外宣称，他要设计一台新型计算机，以便遵照冯·诺依曼提出的“储存程序”原则。

　　莫奇利则负责寻找可能的客户。找客户非常重要，因为他俩已经没有工资，如果不想公司关门，他们就必须拿到订单。他想起美国10年一次的人口普查已经过去了4年，人口普查局应该愿意用新型计算机替代机械制表机，快速处理普查数据。莫奇利的想法恰好与人口普查局不谋而合。美国政府要求下一次普查扩大调查项目，老式制表机的能力早就不能满足需要。双方相谈甚欢，拍板立即合作。但是根据美国有关规定，政府的公用部门是不能和厂商签订科研开发合同的，而普查局正是属此类部门。过去一直在象牙塔里待着的莫齐利和埃克特哪里知道还有这么一条法令。眼看着合同就要泡汤。

　　好在凭着过去干ENIAC时结下的善缘，他们找到了美国国家标准计量局和陆军军械部，这两家属于专业部门不受法令限制。这帮人搞出了一个层层转包的套路：军械部出资30万美元，将钱打到人口普查局账上，然后又转给标准计量局，由标准计量局出面和电子控制公司签开发合同，最后成果由这三个国家单位共享。合同是签下来了，但是问题才解决了一半。美国还有条规定，凡政府专业部门与商业公司开发项目时，必须由专家顾问组对项目进行论证。同时，为了严防政府部门与商家间有“猫腻”，任何项目都采取公开招标形式。还好当时没有别的计算机公司来竞标，直接中标（这规定漏洞太大，不够三家该流标啊！）。这样直到1946年9月，合同才正式过审。合同写明，事成之后，电子控制公司可拿到7.5万美元的酬金。

　　正为拿下合同而兴奋的埃克特和莫齐利，到开始做详细预算时却大惊失色，发现以前提出的预算根本不够。按埃克特的设计方案，这台计算机将由5000只电子管组装，名字叫UNIVAC（Universal Automatic Computer，通用自动电子计算机）。仔细核计后，UNIVAC的总造价高达40万美元。而合同上规定，造价是30万美元，工钱是7.5万美元。这样一来，电子控制公司还要倒贴进去2.5万美元。

　　情急之下，莫奇利和埃克特居然想起自己的“品牌”效应，他俩的名字就是无形资产，完全可以用这种资产去吸引客户，把UNIVAC“克隆”出一台，寻找其它买主再卖一次。为了正式开展业务，他们注册成立了EMCC。不久，就有一家诺斯罗普飞机公司（Northrop Aircraft Co.）要求定购一台同类机器，作为研制利用天体导航技术制导远程导弹（拿的美国空军的订单）的小型计算机，取名BINAC（Binary Automatic Computer，二进制自动计算机）。于是两台机器在EMCC公司同时上马。

　　同年，爱荷华州立大学准备将物理大楼的地下室改造成教室，发现放在这里的ABC机比房间门要宽7厘米根本弄不出去。而且由于ABC整体是用钢条焊死的，他们只得把它锯成小块，除了一个滚筒存储器，其它部分都给扔了。

　　1949年，由奥地利工程师科特·赫兹斯塔克（1902年—1988年）设计的科塔计算器正式进入全球市场，售价125美元。

赫兹斯塔克的父亲是个犹太人，在维也纳开了一家“奥地利计算器”公司，该公司是奥地利第一个山寨美国机械计算器的企业。成年后的赫兹斯塔克在父亲的公司中做技术管理工作，他一直被培养以继承家里的企业，所以不但受到了销售和管理的训练，还学习了机械设计和制造，方便他了解这些精密仪器是怎么生产的。赫兹斯塔克早在1938年就完成了科塔的设计并申请了专利，但因为纳粹的统治与二战的原因无法开始生产。后来他因一些莫须有的罪名被关进了布痕瓦尔德集中营。这个集中营是主要的V2火箭生产基地，很多犹太还有外国工程师都被各种各样的罪名指控送到这里，有些还是冯·布劳恩（二战美国人得到的最大战利品，这里就不展开说了）亲自挑选的。集中营看中了他设计的计算器，要求他做出科塔的详细图纸，准备战后献给希特勒作为庆贺胜利的礼物。二战结束后，历尽磨难的赫兹斯塔克才有机会把科塔的设计付诸实现。

　　科塔计算器一出现就在工程师，会计，技术员之间中引起了追捧。因为它除了计算功能以外，简直就是一个夺人眼球的精巧玩具。当初销轮计算器为了减小计算器尺寸将“莱系”架构的核心步进轮拍扁为销轮。科塔的改进思路不同，并没有放弃步进轮，而是抛弃了莱布尼茨和托马斯定下的机器形态，将长方体的机器改为圆柱体，并将数字的排列从同一平面改为环绕在步进轮周围，计算手柄和清零拉环则放在顶部。这种设计充分利用了机器内部空间，机器小到可以握在手里、放进口袋。因为顶部的拉环，科塔被称为“数学手雷”。科塔计算器是机械计算器最后的辉煌。

　　科塔计算器专利在1966年被卖给瑞士公司希尔提，希尔提在1972年结束了科塔计算器的生产，因为此时早期的电子计算器上市了。20年来一共有15万台科塔计算器被制造出来。

　　想更多领略这个上世纪中叶机械与美学结合典范风采的，请看这个视频：Curta Type I 第一代手摇计算器

　　同年8月，在经过一系列测试之后，历史上第一台商业计算机BINAC由制造商EMCC交付给诺斯罗普飞机公司。BINAC抢在UNIVAC之前完工了。

BINAC大型机，左图为实物，右图为结构图解

　　BINAC机器名称中的“Binary”不但指机器采用二进制，还指它采用了两个CPU，以提高机器的可靠性（这是诺斯罗普公司所要求的）。两个彼此独立的CPU，每个使用了约700个真空管，同时都配有512字的水银延迟线存储器。

水银延迟线存储器

　　水银延迟线存储器本来是埃克特设计来作为EDVAC的存储器。二战期间，他在莫尔学院上本科的时候，他就利用延迟线为军队发明了用于雷达测距的装置。什么是延迟线呢？这就要说到雷达的原理了。对于雷达而言，移动的物体是关注的重点，但收到的反射波大部分是属于静止物体的。如果不做过滤，屏幕上就会显示大片静止物体的亮点，干扰对移动点的观察。为了过滤静止物体的无用信号，人们将接收天线收到的信号分成A和B两路，A路信号直通显示屏，而B路信号则要通过一个“路障”才能到达显示屏。这个“路障”的作用是减缓B的行进，使它比A延迟一段时间。我们知道，信号在电路中的传递是极快的，要拖慢它，可以将它转换成其他形式。人们首先想到的是声音，让B在途中以声音的形式传递一段距离。而让B转换为声音的装置就是水银延迟线。

水银延迟线在雷达中的使用

　　当B到达延迟线的入口，名为压电传感器的电声转换器件就会将它转换为声波，待声波传播到延迟线的出口，压电传感器再将它转回电信号。通过调整延迟线的长度，可以让B比A慢半拍（n+0.5个信号周期）。这就使它们的波形正好相互颠倒。如果信号来自静止的物体，因为其频率相等，A和延迟后的B汇合后自动抵消；而来自移动物体的信号因为多普勒效应频率会不断变化，A和延迟后的B汇合后无法完全抵消，就能够最终在屏幕上显示。

　　那么用作信号“路障”的延迟线和数据存储又是怎么搭上什么关系的呢？这就是埃克特的天才之处了。所谓创新有原生创新，还有组合创新。埃克特就是一个组合创新能力超强的人。我们看看他是怎么设计的：在一个电回路中，任一时刻都只能存在一位二进制信号，当下一位产生时，前一位也就消失了。而有了延迟线，当前一位信号还在水银中传播时，下一位信号就可以产生并紧跟着进入水银，它们可以同时存在于这个回路中。到延迟线的输出端，经过放大、整形抵消声电转换过程中的损耗后，经由回路再次进入延迟线。每一位信号都从延迟线左端进入，排着队经过延迟线，再从右端流出，又重新进入延迟线，不断循环，这就实现了存储。而在读取时，一连串信号排着长队在回路中有序地循环着，而每个时钟周期会有一位信号以电流的形式存在于延迟线之外，因此任意时刻只能顺序读取存储数据中的一位，因此这类存储器称为“顺序存储器”（Sequential Memory）或叫“循环访问存储器”（Cyclic-Access Memory），而我们现在常用的存储器称为“随机访问存储器”（Random Access Memory，RAM），名称就是相对它而来的。

水银延迟线存储器原理图

　　水银有很多缺点，不但重，而且贵，还有毒，并且水银中的声速受温度影响较大，延迟线需要在40℃的恒温环境下才能正常工作。那么为什么还要选择水银呢？那是因为它和石英材质的压电传感器有着相近的声阻抗，可以减少能量损耗和回声的产生。对此，图灵曾提出可以使用金酒（一种原产于荷兰的烈酒）代替水银，真可谓挖空心思。

　　BINAC正式交付给诺斯罗普后，诺斯罗普员工说， BINAC从来没有正常工作过。虽然它能胜任一些小任务，但作为生产工具来说并不实用。而对于EMCC来说，这桩买卖更是苦不堪言，在BINAC交货后，他们算账时发现亏损高达18万美元！

　　BINAC虽然不是一个成功的产品，但它开启了一个商业计算机的时代。以前的计算机要么是为了自用，要么是国家计划的产品，而BINAC是一个第一个根据订单生产的商业计算机产品。

　　同年5月6日，EDSAC（Electronic delay storage automatic calculator，电子延迟存储自动计算器）由英国剑桥大学数学实验室莫里斯·威尔克斯教授（Sir Maurice Vincent Wilkes，1913年6月23日—2010年11月29日）和他的团队研制成功。它比BINAC早3个月面世，因此它才是第一台使用水银延迟线存储器的计算机。这台在缩写上与EDVAC仅相差一个字母的机器，以EDVAC为设计蓝本却比正版更早面世。1946年5月，威尔克斯获得了冯·诺伊曼起草的EDVAC计算机的设计方案的一份复印件。威尔克斯仔细研读了的冯·诺伊曼的著作后觉得心明眼亮，立即安排当年8月亲赴美国参加莫尔学院举办的计算机培训班，广泛地与EDVAC的设计研制人员进行接触、讨论，进一步弄清了它的设计思想与技术细节。

　　EDSAC还是史上第二台具有冯·诺依曼结构的存储程序计算机，同时也是第一台冯·诺依曼结构电子计算机。EDSAC使用了约3000个真空管，排在12个柜架上，占地5×4米，功率消耗12Kw。它使用了16条水银延迟线，每条可存储32个字，每字18位。由于每个字的最后一位用作两个字之间的间隔符，单字实际可用17位。当字长不够，需要两个字组合使用时，双字实际可用35位。

EDSAC

　　在设计与建造EDSAC的过程中，威尔克斯并不是简单地模仿和照搬EDVAC的设计，而是创造和发明了许多新的技术和概念。诸如“变址”（威尔克斯当时称之为“浮动地址"——floating address）；“宏指令“（威尔克斯当时称为“综合指令"——synthetic order）；微程序设计（将每一条机器指令的执行分解为一系列更基本的微命令。将可同时执行的微命令组合在一起形成微指令。所谓微程序就是用微指令编写出来的一段微指令序列)；子例程及子例程库，所谓子例程即subroutine，就是可用于一个或多个计算机程序中，也可用在一个计算机程序的一处或多处的子程序，其目的在于将复杂的任务分解成若干较小的单位，以便于分别处理；高速缓冲存储器即Cache（位于中央处理器与主存储器之间，对程序员透明的一种高速小容量存储器，以提高处理速度）……。所有这些都对现代计算机的体系结构和程序设计技术产生了深远的影响。

　　同年10月2日，美籍华人科学家王安（1920年2月7日—1990年3月24日）申请了“磁芯存储器”的专利。

王安从交通大学（今上海交大、西安交大前身）电机工程专业毕业后，作为一名高级工程技术人员，王安随技术团队藏身广西山区，研究无线电通讯设备，为抗日战争做后援。1945年抗战胜利后，王安被公派至美国，进入哈佛大学深造。1948年，王安顺利获得了哈佛大学应用物理学博士学位后，加入艾肯的计算机实验室，参与Mark IV的研制。没过多久，他就发明了磁芯存储器，大大提高了Mark IV计算机的存储能力。

　　磁芯存储器是基于磁芯会被电流改变磁化方向的原理设计。事先可以通过实验和材料的工艺控制得到这个能够让磁芯磁化的电流最小阈值。每个磁芯都有XY互相垂直的两个方向的导线穿过，另外还有一条斜穿的读出线。这些线组成阵列，XY分别做两个不同方向的寻址。磁芯根据磁化时电流的方向可以产生两个相反方向的磁化，这就可以作为0和1的状态来记录数据。

磁芯被不同电流方向改变磁化方向

　　写入的时候在需要写入的磁芯所对应的XY坐标线上各输入稍高于50%磁环磁化阈值的电流，所以这样只有XY坐标对应的那个磁芯上会同时在两条线中都有电流，叠加之后会超过阈值的电流，磁芯因而磁化或者改变磁化方向从而写入一位数据，而其他所有的磁芯内通过的电流或者是0，或者是50%磁化阈值，都达不到磁化电流不能被磁化，所以没有数据写入。

　　读出的时候比较复杂，分别在XY送入读出电流，读出电流的大小和写入的时候一样也是略大于50%磁化阈值的电流，读出电流的方向我们是事先知道的，这样在XY寻址坐标所对应的那个磁芯里就会有超过阈值的电流，如果它的本来磁场方向和读出电流所对应的磁场方向相反的话，那么由于磁芯的磁性状态发生翻转，有巨大的磁通量变化，在斜穿的读出线上就会有大的感应电流，所以我们就知道这个磁芯存储的是和读出信号相反的数据。如果它的本来磁场方向和读出电流所对应的磁场方向一样的话，那么由于磁芯的磁性状态没有发生变化，在斜穿的读出线上就不会有感应电流，所以我们就知道这个磁芯存储的是和读出信号相同的数据。磁芯中的数据就这样被读出了。不过值得注意的是这时候在读完数据之后显然无论原来磁芯上存的是什么数据，读过之后就都被写成同样的读出数据了，也就是这属于破坏性读出。所以读完之后还需要立即重写一遍原先的数据进去。

每格有16×16=256位，共有4格，总共可存储1024位

　　磁芯存储器的优势在于掉电以后磁化方向不会改变，因此可以实现永久保存。同时，因为其XY阵列结构，给定地址后可以任意访问存储器中任何一位，这是技术的一大进步。

　　同年11月8日，祖思成立了一家名为Zuse KG的新公司，将Z系列产品持续迭代至Z43，在1967年被西门子收购之前，共生产了251台计算机。祖思的晚年荣誉加身，成为德国和世界计算机界公认的祖师级人物。1984年，柏林以他的名字专门设立了一个研究数学和计算机科学的科研机构——柏林祖思研究所（Zuse Institute Berlin/ZIB）。1987年，德国信息学会设立最高奖项“康拉德·祖思奖”，每两年表彰一次国内杰出的计算机学家。

　　1950年2月，莫奇利和埃克特不得不宣告破产。只维持了一年零三个月的EMCC被著名打字机生产厂商雷明顿—兰德（Remington-Rand）公司收购，并接收了UNIVAC的制造业务。 EMCC成了世界上第一家破产被兼并的计算机公司。

　　雷明顿公司是一家老牌军火商。1873年，雷明顿公司买下克里斯托夫·肖尔斯（Christopher Latham Sholes）发明的键盘式打字机的生产权后，开始制造办公机器。肖尔斯键盘即著名的“QWERTY”键盘，至今仍是计算机键盘字母的排列标准。1927年，雷明顿与兰德公司合并，除打字机外，还生产制表机、打孔机、办公柜，并发明了第一把电动剃须刀。收购EMCC后，雷明顿—兰德开始涉足电子计算机制造。莫奇利和埃克特留任，负责继续制造UNIVAC。

莫齐利（左）和埃克特（右）

　　虽然埃克特和莫齐利生意没有做成功，但是他们是“吃”计算机产业化这只“螃蟹”的第一人，作为功成名就的大教授下海经商也是开一时风气之先，他们敢于开拓的精神激励着后人。

　　同年3月10日，图灵倡议的ACE的简化版Pilot ACE计算机开始运行。完整的ACE直到图灵去世之后才建成。

　　同年，图灵第二篇影响世界的论文《计算机与智能》发表。在那个电子计算机才刚刚起步的年代，高瞻远瞩的图灵用一个问题叩开了人工智能的大门：“机器会思考吗？”。图灵认为真正的智能机器必须具有学习能力，他以人的成长为参照模型描述了制造这种机器的方法：先制造一个模拟童年大脑的机器，再进行教育训练。文中还提出了著名的图灵测试（Turing test）：让一台机器躲在挡板后回答测试人员的提问，看测试人员能否判断自己面对的是机器还是真人。能否通过图灵测试，是衡量机器智能程度的重要指标。论文中提到“罗浮莱斯夫人异议”（Lady Lovelace’s Objection，AI不能做出真正的思考）。表明图灵读过艾达的笔记。这位“人工智能之父”乐观地预言：到2000年，计算机应该能“骗过”30%的测试人员。（后辈无能，对不起先贤了！）

　　同年7月12日，苏黎世联邦理工学院买下了祖思的Z4用于数学和工程研究，Z4成为历史上第二台商业计算机，同时也是当时欧洲大陆唯一在役的计算机。

　　1950年4月，贝尔实验室两名科学家戈登·蒂尔（Gordon K Teal，1907年1月10日—2003年1月7日）和摩根·斯帕克斯（Morgan Sparks，1916年7月6日—2008年5月3日）终于将肖克利设计的双极结型晶体管实现。

戈登·蒂尔（左）和摩根·斯帕克斯（右）

　　研制PN结锗晶体管在技术上最大的难点就是缺乏足够纯净、均匀的半导体“锗”材料。蒂尔大胆的提出了一个设想—半导体“单晶体”，他认为，需要先制造出一个大的“锗单晶”，才有可能进行P型或者N型的掺杂。通过反复的论证，蒂尔最终选择并借鉴了波兰化学家简·切克劳斯基（Jan Czochralski，1885年10月23日—1953年4月22日）在1917年提出的连续直拉法（CZ法）技术。蒂尔借鉴CZ法的原理，把一个小小的“晶籽”—锗晶体悬浮在熔融锗的坩埚中，然后将籽晶插入熔体表面进行熔接，同时转动籽晶，再反转坩埚，籽晶缓慢向上提升，经过引晶、放大、转肩、等径生长、收尾等过程，单晶体就逐渐生长出来了，最终形成一个又长又圆的锗单晶。

蒂尔直拉法制备硅单晶体

锗单晶成功制成之后，PN结晶体管的研制就变得相对容易了。斯帕克斯率先采用了蒂尔的方法，通过在晶体生长过程中向熔融的锗滴入微小的杂质颗粒，最终形成了一个非常简陋的PN结，这也是全球半导体产业第一个PN结。随后，蒂尔和斯帕克斯开始将目光转向了NPN结晶体管。他们在熔融的锗中加入了“两个连续的小球”，一个具有P型杂质，一个具有N型杂质，最终在内层形成了具有一层很薄的基层—NPN结构。在新工艺的催生下，双极结型晶体管终于得以现世。

世界上第一个NPN结型锗晶体管

　　同年，在范内瓦的建议下，美国成立国家科学基金会（National Science Foundation，NSF），任务是通过对基础科学研究计划的资助，改进科学教育，发展科学信息和增进国际科学合作等办法促进美国科学的发展。

第九回 学科祖魂归天界，双子星降临人间

　　1951年，EDVAC计算机完成了建造。EDVAC使用了大约6000个真空管和12000个二极管，占地45.5平方米，重达7850千克，消耗电力56千瓦，运算速度达到了ENIAC的十倍，这也是冯·诺依曼的设想第一次完全得到实现。

EDVAC

　　EDVAC于1949年8月已经交付给弹道研究实验室，但后来发现了许多问题，直到1951年EDVAC才正式运行，却局限于基本功能。其后几经硬件升级，一直正常运行到1961年。造成其进度拖延的一个重要的原因就是冯·诺依曼、莫奇利、埃克特、戈德斯坦、伯克斯等人都先后离开了EDVAC项目组。

　　同年的6月14日，UNIVAC-1交付美国人口普查局用于人口普查，使计算机走出了实验室，开始为社会服务。从此人类社会进入了计算机时代，计算机的应用也同时进入了一个新的、商业应用的时代。

UNIVAC-1全景

　　UNIVAC-1占地26.7平方米，重量7.2吨。真空管数量为5600只，与ENIAC相比，仅为三分之一以下。还使用了1.8万只半导体二级管，300个继电器，存储器为100只水银延迟管。

UNIVAC-1内部

　　UNIVAC-I第一次采用磁带机作外存储器，共配有10台磁带机。也是第一台使用缓冲区存储的计算机。由于对磁带的读写操作被缓存，因此它们可以独立于其它任务进行，从而大大提高了吞吐量。 这两个特性使UNIVAC-I非常适合大型数据处理任务。UNIVAC-I使用的磁带卷中有8条半英寸宽的磁带，磁带上每寸可存128位，每卷有1200英尺长，意味着每卷可存储约1500万位（按现在算法约为2M字节）。磁带容量大也足够便宜，但缺点主要是访问速度慢，访问时需要正转或反转很长距离才能到特定的位置。

UNIVAC使用的磁带机（左）和磁带（右）

　　UNIVAC是一个非常成功的商业产品，后续又卖出了46台，客户包括政府与军队机构以及知名公司。美国人口普查局使用的那台UNIVAC-I总共运行了7万多个小时，人口普查局工作人员在这台计算机上创建了许多用于排序和处理大数据文件的开创性软件程序。

　　同年，在弗雷德·特曼的倡议下，斯坦福研究园区（Stanford Research Park）成立，这是第一个位于大学附近的高科技工业园区。二战结束后，美国大学毕业学生骤增，毕业生就业压力突然增大。斯坦福研究园区里一些较小的工业建筑以低租金租给一些小的科技公司，给毕业生提供了就业机会，也为大学增加了经济来源。这些公司应用大学最新的科技，后来成为重要的技术诞生地。

　　同年，苏联的第一台电子计算机在乌克兰电气工程研究所的计算机设备实验室中问世，研发工作在谢尔盖·阿列克谢耶维奇·列别捷夫领导下完成（谢尔盖·列别杰夫，乌克兰人，苏联科学学院院士，1946年乌克兰电气工程研究所所长。苏联计算机工业的创始人）。

谢尔盖·列别捷夫

　　这台计算机被称为MESM（МЭСМ，小规模电子计算机），尽管用了“小”这个词，但是个头非常夸张。它占地面积60平方米，有6000个电子管，总功率25千瓦。每分钟可以进行3000次加减乘除法计算。由于忽略了6000个电子管一起工作时的发热量，计算机工作时，机房成了研究所的“非洲地带”，工作人员不得不把机房天花板去掉改善散热条件。

MESM

　　同年，王安离开哈佛，怀揣着仅有的600美元开始创业，在一个车库中创办了“王安实验室”，开始售卖他拥有专利的磁芯存储器。IBM看出磁芯存储器将会有很广阔的前景，于是便提出用250万美元向王安购买这一专利技术。不过后来IBM又凭借自己的行业地位，将出价压低到了50万美元。身处弱势的王安最后不得不向IBM妥协，接受了50万美元的报价。之前王安博士毕业后曾去IBM应聘，面试官轻蔑地对他说：IBM是美国最好的企业，这里不适合你，你还是找个汽车修理厂试试吧。这两件事让王安倍感屈辱，使得他和IBM的恩怨贯穿一生。

　　1952年，肖克利心心念念的场效应管被制造出来，是使用他的结型结构制成的结型场效应管（Junction-FET，JFET）。如今，场效应管比双极结型晶体管应用更为广泛。

　　同年，格蕾斯·霍波（Grace Murray Hopper，1906年12月9日—1992年1月1日）使用UNIVAC-I发明了世界上第一个编译器 ：A-0系统 。编译器是将高级语言转换成机器代码的程序。

格蕾斯·霍波（中）在操作UNIVAC

　　A-0系统（A-0 System），全名为算术语言版本0（Arithmetic Language version 0）。它实际上是一组指令，可以将数学符号代码转换为机器代码。在制作A-0时，霍波贡献了她多年来积累的所有子例程（subroutine）并将它们存放在磁带上。每个子例程都有一个调用号，以便机器可以在磁带上找到它。霍波说：“我要做的就是写下一组调用号，让计算机在磁带上找到它们，将它们取出来并执行。这就是第一个编译器。”

　　在A-0之后，霍波及其小组又推出A-1和A-2版本。 A-2编译器是第一个被广泛使用的编译器，为开发编程语言铺平了道路。

　　同年下半年，适逢美国大选。共和党候选人是62岁的艾森豪威尔，但是新闻媒体普遍看好民主党竞选人史蒂文森。为了对选举资料进行处理，美国的哥伦比亚广播公司租用了了一台UNIVAC来预测大选结果。在大选进行之前，几乎所有的专家和媒体从不同角度、运用各种方式预测的结果几乎一边倒，都认为当时参与竞选的双方得票结果将会是“势均力敌”、“难分伯仲”。然而，在选举结束后仅仅45分钟，UNIVAC就计算出“艾森豪威尔将得票数为438票”，也就是说他将“以绝对优势赢得这场选举”。但是限于当时人们对计算机的性能尚不了解，所以广播公司拒绝对计算机预测的结果进行报道，UNIVAC的制造商雷明顿—兰德公司慌了手脚下令工程师删改UNIVAC的运算数据，以便和广播电视保持一致。操纵计算机的工程师们不得不重新进行了运算。但是“UNIVAC”计算机预测的结果仍然是“艾森豪威尔将大获全胜”。选举结果正式揭晓后，艾森豪威尔的实际得票数为442票，得票数超过对手五六倍。“4票之差”说明UNIVAC的预测误差率不到1%！媒体、舆论和民众为这一事实所震惊。哥伦比亚公司的广播电台著名节目主持人在新闻节目中夸称UNIVAC是“无与伦比的电子大脑”。这一事件在一夜之间把计算机推举到万众瞩目的地位，雷明顿—兰德公司也因此成为美国早期计算机制造业当中最有影响力的公司之一。

　　同年12月，蒂尔离开贝尔实验室，加入德州仪器公司，成为其第一位半导体领域的研究负责人。在他的领导下，德州仪器公司在1954年成功的制造了全球半导体产业界第一个商业化的硅晶体管。

　　1953年，磁芯存储器被首次大规模使用，在麻省理工学院研制的Whirlwind I（旋风1号）计算机上，共使用16块磁芯存储器，每块磁芯数为32×32，共可以存储16384位。

Whirlwind的磁芯存储器

　　第二次世界大战中，为训练轰炸机飞行员，美国海军曾向麻省理工学院探询，是否能够开发出一款可以控制飞行模拟器的计算机。军方当初的设想只是希望通过该计算机将飞行员模拟操作产生的数据实时反映到仪表盘上。与之前的模拟设备不同，军方要求该计算机应基于空气动力学设计，与实物无限接近，以便进行各种航空训练。MIT对军方拍胸脯保证没问题。于是海军以“旋风计划”（Whirlwind project）为名，开始向该工程提供资金，该校林肯实验室数字计算部负责人杰伊·福里斯特教授（Jay Wright Forrester，1918年—2016年，系统动力学之父）被选任为项目负责人。

杰伊·福里斯特与Whirlwind合影

　　研发人员起初开发的是大型模拟计算机，准确度和灵活度均达不到要求。1945年，项目组成员杰里・克劳福德在观看过ENIAC的试运行后，提议以数字计算机作为项目的解决方案。其优点在于，由追加程序取代追加零件，将有可能提高模拟的准确度。当时的主流观点已经认为，计算机拥有极其高速的运算速度，无论如何复杂的模拟，理论上均可实现。

　　修改设计后，实体机于1951年4月20日问世。Whirlwind的开发最早是应海军的要求，海军方面为该项目提供数百万美元的经费，因耗时太长已逐渐失去兴趣。1949年，苏联第一颗原子弹试爆成功，美国空军为加以应对，将Whirlwind接手以打造半自动地面环境系统（Semi-Automatic Ground Environment，SAGE）。

　　Whirlwind起初的运算速度只有20kips（每秒执行的指令数），问题主要集中在主存储器使用的威廉姆斯管上。为解决难题，福里斯特最终选择了磁芯存储器，并对它进行了改进。之后，读取存储器用时由原来的8500微秒变为仅为8微秒，运算速度也提升一倍，成为当时世界上运算速度最快的计算机。此外，福里斯特还首创使用键盘作为计算机输入设备，因此Whirlwind获得了“最贵的打字机”的外号。同时因为Whirlwind的设计目的是在仪表上实时显示飞行员模拟训练数据，它是第一台实时操作的计算机，并采用了显示器作为视频输出。

　　在Whirlwind设计完成并运营之后，更大更快的Whirlwind II设计工作也随之展开。但很快，这种工作耗费了麻省理工学院太多资源。为此，校方决定不研制Whirlwind II，只将精力集中在原机的编程应用上面。后来IBM在Whirlwind II的基础上设计出AN/FSQ-7。有时AN/FSQ-7会被错误地称为“Whirlwind II ” ，其实它们并不是同一种机器或设计。AN/FSQ-7在SAGE中发挥了重要作用——能够显示跟踪的目标，并自动显示哪些防御工事在范围以内。AN/FSQ-7拥有100个系统控制台，下图是其中之一。

　　同年，由于与同事的分歧，威廉·肖克利离开贝尔实验室，孤身一人回到他获得科学学士学位的加州理工学院。在这之前，由于不满他的打压，巴丁已于1951年离开贝尔实验室，到伊利诺伊大学香槟分校任教。

　　同年，磁鼓存储器进一步完善。它的原理是在金属筒表面覆盖磁性材料以记录数据。周围排列数十个读写头，金属筒以每分钟上千转持续旋转，当转到正确位置时读写头就会读或写1位数据。当年已经可以买到容量为8万位的磁鼓存储器。磁鼓存储器后来发展成为硬盘。

磁鼓存储器

　　同年4月7日，IBM正式对外发布自己的第一台商用电子计算机IBM701，也是第一款批量制造的大型计算机。IBM 701的设计以EDVAC为蓝本，存储器由72个威廉姆斯管组成，共2048个字节，每个字节36位。IBM700/7000系列包括704、705、709、7040、7090等产品。

IBM 701

　　为宣传该产品，当年1月7日，在IBM纽约总部，进行了一场使用IBM 701型计算机将60个俄语句子自动翻译成英语的试验，这是世界上首次机器翻译。“一位不懂俄语的女孩在IBM的卡片上打出了俄语信息。‘电脑’以每秒2.5行的惊人速度，在自动打印机上迅速完成了英语的翻译。”——IBM报道说。然而，这份洋洋得意的头条却隐藏了一个小细节。它并未提到翻译所用到的例子是经过了精心的挑选和测试，并排除了任何歧义。这个系统实际上相当于一本常用语手册，但是它成功地激发了全球机器翻译的竞赛。

　　1954年6月7日，图灵被发现死于家中的床上，床头放着一个被咬了一口的苹果。警方调查结论是剧毒的氰化物中毒。

　　1955年，贝尔实验室开发成功第一台晶体管计算机TRADIC，使用了大约800个晶体管和1 万个锗二极管，占地仅有3立方英尺。每秒钟可以执行1百万次逻辑操作，功率仅为100瓦。

TRADIC

　　同年10月2日23时55分，运行了近10年的ENIAC正式退役。如今，其部件散藏于宾夕法尼亚大学、美国陆军军械博物馆、美国计算机历史博物馆、史密森学会等多家机构。

　　同年2月24日，史蒂夫·乔布斯出生美国加利福尼亚州旧金山。10月28日，比尔·盖茨出生于美国华盛顿州西雅图。

　　这正是：

天下风云出我辈，一入江湖岁月催。

皇图霸业谈笑中，不胜人生一场醉。

　　20世纪前半叶是电子计算机大放异彩的时代，相对于现在的集成电路计算机，电子计算机就像是恐龙一样的存在。下面我们通过一个视频来领略一下这些巨兽们的风采：

计算机科学（2）电子计算机

未完待续……

扩展阅读：

一篇读罢头飞雪：计算机发展时间线（上）

第一块晶体管背后的故事（《计算机发展时间线》番外）

一篇读罢头飞雪：计算机发展时间线（中）1

一篇读罢头飞雪：计算机发展时间线（中）2

整理摘抄自以下资料：

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