跨越：從電子管到集成電路

夏雨

電腦的學(xué)名為電子計算機(jī)（Computer），如果以1946年做為“計算機(jī)元年”，那么之前出現(xiàn)的計算設(shè)備，不論是電力帶動的機(jī)械計算機(jī)，還是電子管計算機(jī)，都只能稱為電動計算器。直到1945年馮·諾依曼提出《存儲程序通用電子計算機(jī)方案》（EDVAC）后，才確定了計算機(jī)的定義--計算機(jī)是一種通過特定語言的編程，完成數(shù)字運算、邏輯判斷、再現(xiàn)人類的思維活動和記憶存儲的設(shè)備。

世界首臺電子計算機(jī)誕生

一般公認(rèn)，世界第一臺真正意義上的電子計算機(jī)是ENIAC（電子數(shù)字積分計算機(jī)），它是第一代電子管計算機(jī)的代表。

1943年，二戰(zhàn)硝煙密布，為盡快結(jié)束戰(zhàn)爭，美國陸軍著手研發(fā)新式火炮，賓夕法尼亞大學(xué)受命研制電子化通用計算機(jī)ENIAC（埃尼阿克）來計算炮彈及火箭、導(dǎo)彈武器的彈道軌跡。經(jīng)過兩年多的艱苦努力，1946年2月14日，“埃尼阿克”終于在費城問世--這個耗資約50萬美元制造的龐然大物，重30噸，占地170平方米，它的體內(nèi)有17468個電子三極管、7200個電子二極管、70000個電阻，10000個電容器、1500個繼電器、6000多個開關(guān)。

“埃尼阿克”每秒鐘可做5000次加法、500次乘法或50次除法，比人工計算快20萬倍。它一天完成的計算量，大約相當(dāng)于一個人用手搖計算機(jī)操作40年。

“計算機(jī)之父”馮·諾依曼

但與高速相對應(yīng)的，是高耗電量。埃尼阿克的耗電高達(dá)150千瓦，據(jù)說它每次開機(jī)，整個費城西區(qū)的電燈都為之黯然失色，而且它在運行時，幾乎每15分鐘就會燒掉一個電子管，因此在使用上極不方便。

此外，埃尼阿克還有兩大缺點：沒有內(nèi)存儲器；運算時需要由人工將大量運算部件搭建起來，每算一題就要重搭一次。有的題計算只要1秒鐘，準(zhǔn)備工作卻要花幾十分鐘。

為解決這些問題，埃尼阿克的理論設(shè)計人之一、匈牙利裔美國數(shù)學(xué)家馮·諾依曼提出了著名的“馮·諾依曼結(jié)構(gòu)”--計算機(jī)應(yīng)由運算器、控制器、存儲器、輸出和輸入設(shè)備5個部分組成，這一結(jié)構(gòu)至今仍為計算機(jī)設(shè)計者所遵循；他還明確提出計算機(jī)的二大設(shè)計思想--二進(jìn)制和存儲程序，為計算機(jī)的發(fā)展樹立了一座里程碑，同時也向世界宣告了電子計算機(jī)時代的開始。馮·諾依曼，也因此成為當(dāng)之無愧的“計算機(jī)之父”。

埃尼阿克問世后不久，1953年4月7日，IBM公司正式對外發(fā)布自己的第一臺電子計算機(jī) IBM701。同年8月，又發(fā)布了應(yīng)用于會計行業(yè)的IBM702計算機(jī)。IBM還推出了IBM650，以低廉的價格和優(yōu)異性能在市場中獲得極大成功，至此，IBM確立了其行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者的地位。

晶體管計算機(jī)問世

以埃尼阿克為代表的第一代電子管計算機(jī)，體積巨大、能耗高、故障率高、制造成本高昂，這些都制約著其應(yīng)用和普及。直到1947年12月，美國貝爾實驗室的肖克利、布拉頓和巴丁使用一些金箔、半導(dǎo)體材料和一個彎曲的別針發(fā)明出晶體管，才開辟了電子時代新紀(jì)元。肖克利、布拉頓和巴丁也因此獲得1956年諾貝爾物理學(xué)獎。

1954年，美國貝爾實驗室成功研制出第一臺使用晶體管線路的計算機(jī)TRADIC（催迪克）。它的問世，標(biāo)志著晶體管計算機(jī)時代的到來。

晶體管計算機(jī)的主存儲器是磁芯存儲器，使用磁盤作為輔助存儲器。與電子管計算機(jī)相比，晶體管計算機(jī)重量僅為原來的百分之一，體積與功耗減少到原來的三百分之一。晶體管計算機(jī)的軟件開始使用面向過程的程序設(shè)計語言，即以過程為中心，完成最終處理結(jié)果的編程思路。當(dāng)時，晶體管計算機(jī)使用算法語言、公式翻譯等編程語言。

“克雷機(jī)”與超級計算機(jī)

1960年，僅僅31歲的西蒙·克雷被CDC公司任命為總設(shè)計師，受命為美國原子能委員會研發(fā)超級計算機(jī)。經(jīng)過3年的潛心開發(fā)，1963年，CDC6600問世。這臺安裝了35萬只晶體管的超級計算機(jī)成為當(dāng)時世界上運算速度最快的計算機(jī)。

1972年，克雷從CDC公司辭職，創(chuàng)立“克雷研究公司”。3年后，“克雷1號”誕生，這臺重達(dá)5噸、安裝了35萬塊集成電路的超級計算機(jī)，第一次實現(xiàn)了每秒一億次的運算速度，繼CDC6600之后成為運算速度最快的“計算機(jī)之王”。

超級計算機(jī)能執(zhí)行個人計算機(jī)無法處理的大資料量與高速運算，主要用于承擔(dān)重大的科學(xué)研究、國防尖端技術(shù)和國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的大型計算及數(shù)據(jù)處理，如天氣預(yù)報、衛(wèi)星照片處理、原子核物的探索、洲際導(dǎo)彈和航天技能研究等。發(fā)展到今天，超級計算機(jī)的運算速度大都可以達(dá)到每秒一太（Trillion，萬億）次以上，其計算速度成為世界各國在計算機(jī)領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展對比的參數(shù)之一，標(biāo)志著一個國家的科學(xué)技術(shù)和工業(yè)發(fā)展的程度。

電子器件微型化新紀(jì)元

說到計算機(jī)的體積，如果說第一代電子管計算機(jī)是三間房的話，那么第二代晶體管計算機(jī)就成了二張桌，但人們希望的卻是一臺抽屜大小的計算機(jī)。

于是，科學(xué)家們開始采用小型化思路，將晶體管體積縮小到米粒一樣大小，然而這種小型化的做法不是無限的，當(dāng)它到達(dá)一定程度后，晶體管功能就會逐漸消失。計算機(jī)的發(fā)展也由此進(jìn)入了一個瓶頸。

而與此同時，科技的不斷發(fā)展以及商業(yè)的個人化，對電子設(shè)備的小型化、低功耗提出了更高需求，由此催生了新興電子元件--集成電路。endprint