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电子计算机

计算的大量需要

20世纪上半叶，世界人口几乎翻倍
一战动员7千万人，二战1亿多人
全球贸易和运输更加紧密
工程和科学的复杂度也达到新高

• 我们甚至开始考虑登陆其他行星

复杂度的增高导致数据量暴增

人们需要更多自动化 更强的计算能力

很快，柜子大小的计算机变成房间大小
维护费用高 而且容易出错
而正是这些机器 为未来的创新打下基础

笨重的马克一号

特 点

最大的机电计算机之一是 哈佛马克一号
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

缺 点:

这个控制电路可以连到其他电路，比如马达 马达让计数齿轮 +1 就像上一节中制表机一样
不幸的是，继电器内的机械臂有质量

无法快速开关

1940 年代一个好的继电器 1秒能翻转 50次

• 看起来好像很快，但还不够快，不足以解决复杂的大问题

• 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
  有些部件会完全损坏，有些则是变黏，变慢，变得不可靠
  并且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
  哪怕假设继电器的使用寿命是 10 年
  也意味着平均每天得换一个故障继电器！
  这个问题很严重，因为有些重要运算要运行好几天
  而且还有更多其他问题要考虑

BUG由来

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
"从那时起，每当电脑出了问题， 我们就说它出了 bug（虫子）" 这就是术语 "bug" 的来源

热电子管

显然，如果想进一步提高计算能力
我们需要更快更可靠的东西，来替代继电器
幸运的是，替代品已经存在了！
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"

把两个电极装在一个气密的玻璃灯泡里
-这是世上第一个真空管 其中一个电极可以加热，从而发射电子 -这叫 "热电子发射" 另一个电极会吸引电子，形成"电龙头"的电流 但只有带正电才行

• 如果带负电荷或中性电荷，电子就没办法被吸引，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 "二极管"

但我们需要的是，一个能开关电流的东西 幸运的是，不久之后在 1906 年，美国发明家 "李·德富雷斯特" 他在"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

优 点

• 真空管内没有会动的组件
  
  1、更少的磨损

• 更重要的是，每秒可以开闭数千次 因此这些"三极真空管"成为了无线电，长途电话 以及其他电子设备的基础，持续了接近半个世纪

缺 点

• 有点脆弱，并且像灯泡一样会烧坏

但比起机械继电器是一次巨大进步

起初，真空管非常昂贵

收音机一般只用一个
但计算机可能要上百甚至上千个电气开关
但到了 1940 年代
它的成本和可靠性得到改进，可以用在计算机里
至少有钱人负担得起，如政府
这标志着计算机 从机电转向电子

第一个大规模使用真空管的计算机--巨人1号

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
听起来可能有点熟，因为 2 年前 阿兰·图灵
图灵也在"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
但 Bombe 严格来说不算计算机

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
巨人 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

有点像老电话交换机
这是为了让计算机执行正确操作
虽然"可编程" ，但还是要配置它
电子数值积分计算机 "ENIAC"
几年后在1946年，在"宾夕法尼亚大学"完成建造
设计者是John Mauchly 和J.Presper Eckert
这是世上第一个真正的通用，可编程
它运作了十年
据估计，它完成的运算，比全人类加起来还多
因为真空管很多，所以故障很常见

到1950年代，真空管计算机都达到了极限

晶体管

1947年，发明了晶体管
一个全新的计算机时代诞生了！

晶体管 就像之前提过的"继电器"或"真空管"
-它是一个开关，可以用控制线路来控制开或关
晶体管有两个电极，\N 电极之间有一种材料隔开它们，这种材料有时候导电
有时候不导电

这叫"半导体"
控制线连到一个 "门" 电极
通过改变 "门" 的电荷
我们可以控制半导体材料的导电性
来允许或不允许 电流流动

贝尔实验室的第一个晶体管就展示了巨大的潜力

显而易见的优点：

1、每秒可以开关10,000次
2、固态，稳定
3、体积远远小于继电器或真空管
导致更小更便宜的计算机

特 点:

如今，计算机里的晶体管小于50纳米

• 而一张纸的厚度大概是10万纳米

晶体管不仅小，还超级快

• 每秒可以切换上百万次，并且能工作几十年

硅谷由来

很多晶体管和半导体的开发在"圣克拉拉谷"
这个地方在加州，位于"旧金山"和"圣荷西"之间
而生产半导体最常见的材料是 "硅"
所以这个地区被称为 "硅谷"
甚至 William Shockley 都搬了过去，创立了"肖克利半导体"

仙童半导体

里面的员工后来成立了"仙童半导体"
这里面的员工后来创立了英特尔 - 当今世界上最大的计算机芯片制造商

接下来

• 计算器早期历史
• 阿兰·图灵