计算机科学速成课 Crash Course Computer Science 第二集 电子计算机 Electronic Computing

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计算机科学速成课 Crash Course Computer Science

第二集 电子计算机 Electronic Computing

机电计算机：继电器

最大的机电计算机之一是哈佛马克一号（Harvard Mark Ⅰ），IBM在1944完成建造，给二战同盟国建造的。它有76万5千个组件，300万个连接点和500英里长的导线，为了保持内部机械装置同步，它有一个50英尺的传动轴，由一个5马力的电机驱动。

这台机器最早的用途之一是给“曼哈顿计划”跑模拟，这台机器的大脑是“继电器”。

继电器：用电控制的机械开关。继电器里有根“控制线路”，控制电路是开还是关，“控制线路”连着一个线圈，当电流流过线圈，线圈产生电磁场，吸引金属臂，从而闭合电路，你可以把继电器想成水龙头。

这个控制电路可以连到其他电路，比如马达。

缺点：

1. 很不幸，继电器里的机械臂是“有质量”的，因此无法快速开关。1940年代一个好的继电器1秒能翻转50次，看起来很快，其实还不够快。哈佛马克一号1秒能做3次加法或减法运算，一次乘法要花6秒，除法要花15秒，更复杂的操作比如三角函数可能要一分钟以上。

2. 除了速度慢，另一个限制是齿轮磨损，任何会动的机械都会随时间磨损。

3. 随着继电器数量增加，故障概率也会增加。哈佛马克一号有大约3500个继电器，假设继电器的使用寿命是10年，意味着平均每天要换一个故障的继电器。

4. BUG：这些巨大，黑色，温暖的机器也会吸引昆虫，1947年9月，哈佛马克2型的操作员从故障继电器中拔出一只死虫，Grace Hopper曾说："From then on, when anything went wrong with a computer,we said it had bugs in it."这就是“bug”的来源。

电子计算机：真空管

在1904年，英国物理学家约翰·安布罗斯·弗莱明开发了一种新的电子组件，叫“热电子管”（thermionic valve），把两个电极装在一个气密的玻璃灯泡里，这是世界上第一个真空管。其中一个电极可以加热，从而发射电子，这叫做“热电子发射”（thermionic emission）。另一个电极会吸引电子，形成电流，但只有带正电才行，如果带负电荷或中性电荷，电子没办法被吸引，越过真空区域，因此没有电流。

电流只能单向流动的电子部件叫做“二极管”（diode），我们需要一个能开关电流的东西，Luckily，在1906年，美国发明家李·德富雷斯特在“弗莱明”设计的两个电极之间加入了第三个“控制”电极，向“控制”电极施加正电荷，它会允许电子流动，但如果施加负电荷，它会阻止电子流动。因此通过控制线路可以断开或闭合电路，和继电器的功能一样。Importantly，真空管内没有会动的组件，意味着更少的磨损，more importantly，每秒可以开闭数千次。

真空管应用于计算机中，这标志着计算机从机电转向电子。

巨人1号

第一次大规模使用真空管的计算机是“巨人1号”（Colossus MK 1），由工程师Tommy Flowers设计，完工于1943年12月。巨人1号在英国的“布莱切利园”，用于破解纳粹通信。阿兰·图灵在“布莱切利园”做了台机电装置，叫“Bombe”，这台机器的设计目的是破解纳粹“英格码”通讯加密设备。巨人1号有1600个真空管，总共造了10台巨人计算机，来帮助破解密码，被认为是第一个可编程的电子计算机。编程的方法是把几百根电线插入插板。

电子数值积分计算机

电子数值积分计算机（electronic numerical integrator and calculator）“ENIAC”在1946年于宾夕法尼亚大学完成建造，设计者是john Mauchly和J.Presper Eckert，这是世界上第一个真正的通用，可编程，电子计算机，ENIAC每秒可执行5000次十位数加减法。

到1950年代，真空管计算机都达到了极限，美国空军的AN/FSQ-7计算机于1955年完成，是“SAGE”防空计算机系统的一部分。

电子计算机：晶体管

1947年，贝尔实验室科学家John Bardeen，Walter Brattain，William Shockley发明了晶体管（transistor）。晶体管有两个电极，电极之间有一种材料隔开它们，这种材料有时候导电有时不导电，这叫半导体（semiconductor）。

控制线连到一个“门”电极，通过改变“门”的电荷，可以控制半导体材料的导电性，来允许或不允许电流流动。

晶体管每秒可以开关10000次，比起真空管，晶体管是固态的，并可以远小于继电器或真空管，用于制造更小更便宜的计算机，例如1957年发布的IBM 608，这是第一个完全用晶体管，而且消费者可以买到的计算机，它有3000个晶体管，每秒执行4500次加法，每秒能执行80次左右的乘除法。

硅谷

很多晶体管和半导体的开发在“圣克拉拉谷”（Santa Clara Valley），位于旧金山（San Francisco）和圣荷西（San Jose）之间，而生产半导体最常见的材料是“硅”（silicon），所以这个地区被称为“硅谷”（Silicon Valley）。William Shockley搬到硅谷，创立了“肖克利半导体”（Shockley Semiconductor），里面的员工后来成立了“仙童半导体”（Fairchild Semiconductor），这里的员工后来创立了英特尔（Intel）——当今世界上最大的计算机芯片制造商。