跨越：從電子管到集成電路

夏雨

電腦的學名為電子計算機（Computer），如果以1946年做為“計算機元年”，那么之前出現的計算設備，不論是電力帶動的機械計算機，還是電子管計算機，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方案》（EDVAC）后，才確定了計算機的定義--計算機是一種通過特定語言的編程，完成數字運算、邏輯判斷、再現人類的思維活動和記憶存儲的設備。

世界首臺電子計算機誕生

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

1943年，二戰硝煙密布，為盡快結束戰爭，美國陸軍著手研發新式火炮，賓夕法尼亞大學受命研制電子化通用計算機ENIAC（埃尼阿克）來計算炮彈及火箭、導彈武器的彈道軌跡。經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。

“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，大約相當于一個人用手搖計算機操作40年。

“計算機之父”馮·諾依曼

但與高速相對應的，是高耗電量。埃尼阿克的耗電高達150千瓦，據說它每次開機，整個費城西區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，埃尼阿克的理論設計人之一、匈牙利裔美國數學家馮·諾依曼提出了著名的“馮·諾依曼結構”--計算機應由運算器、控制器、存儲器、輸出和輸入設備5個部分組成，這一結構至今仍為計算機設計者所遵循；他還明確提出計算機的二大設計思想--二進制和存儲程序，為計算機的發展樹立了一座里程碑，同時也向世界宣告了電子計算機時代的開始。馮·諾依曼，也因此成為當之無愧的“計算機之父”。

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

晶體管計算機問世

以埃尼阿克為代表的第一代電子管計算機，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、半導體材料和一個彎曲的別針發明出晶體管，才開辟了電子時代新紀元。肖克利、布拉頓和巴丁也因此獲得1956年諾貝爾物理學獎。

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TRADIC（催迪克）。它的問世，標志著晶體管計算機時代的到來。

晶體管計算機的主存儲器是磁芯存儲器，使用磁盤作為輔助存儲器。與電子管計算機相比，晶體管計算機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。晶體管計算機的軟件開始使用面向過程的程序設計語言，即以過程為中心，完成最終處理結果的編程思路。當時，晶體管計算機使用算法語言、公式翻譯等編程語言。

“克雷機”與超級計算機

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

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

超級計算機能執行個人計算機無法處理的大資料量與高速運算，主要用于承擔重大的科學研究、國防尖端技術和國民經濟領域的大型計算及數據處理，如天氣預報、衛星照片處理、原子核物的探索、洲際導彈和航天技能研究等。發展到今天，超級計算機的運算速度大都可以達到每秒一太（Trillion，萬億）次以上，其計算速度成為世界各國在計算機領域技術發展對比的參數之一，標志著一個國家的科學技術和工業發展的程度。

電子器件微型化新紀元

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

于是，科學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，當它到達一定程度后，晶體管功能就會逐漸消失。計算機的發展也由此進入了一個瓶頸。

而與此同時，科技的不斷發展以及商業的個人化，對電子設備的小型化、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