跨越：从电子管到集成电路

夏雨

电脑的学名为电子计算机（Computer），如果以1946年做为“计算机元年”，那么之前出现的计算设备，不论是电力带动的机械计算机，还是电子管计算机，都只能称为电动计算器。直到1945年冯·诺依曼提出《存储程序通用电子计算机方案》（EDVAC）后，才确定了计算机的定义--计算机是一种通过特定语言的编程，完成数字运算、逻辑判断、再现人类的思维活动和记忆存储的设备。

世界首台电子计算机诞生

一般公认，世界第一台真正意义上的电子计算机是ENIAC（电子数字积分计算机），它是第一代电子管计算机的代表。

1943年，二战硝烟密布，为尽快结束战争，美国陆军着手研发新式火炮，宾夕法尼亚大学受命研制电子化通用计算机ENIAC（埃尼阿克）来计算炮弹及火箭、导弹武器的弹道轨迹。经过两年多的艰苦努力，1946年2月14日，“埃尼阿克”终于在费城问世--这个耗资约50万美元制造的庞然大物，重30吨，占地170平方米，它的体内有17468个电子三极管、7200个电子二极管、70000个电阻，10000个电容器、1500个继电器、6000多个开关。

“埃尼阿克”每秒钟可做5000次加法、500次乘法或50次除法，比人工计算快20万倍。它一天完成的计算量，大约相当于一个人用手摇计算机操作40年。

“计算机之父”冯·诺依曼

但与高速相对应的，是高耗电量。埃尼阿克的耗电高达150千瓦，据说它每次开机，整个费城西区的电灯都为之黯然失色，而且它在运行时，几乎每15分钟就会烧掉一个电子管，因此在使用上极不方便。

此外，埃尼阿克还有两大缺点：没有内存储器；运算时需要由人工将大量运算部件搭建起来，每算一题就要重搭一次。有的题计算只要1秒钟，准备工作却要花几十分钟。

为解决这些问题，埃尼阿克的理论设计人之一、匈牙利裔美国数学家冯·诺依曼提出了著名的“冯·诺依曼结构”--计算机应由运算器、控制器、存储器、输出和输入设备5个部分组成，这一结构至今仍为计算机设计者所遵循；他还明确提出计算机的二大设计思想--二进制和存储程序，为计算机的发展树立了一座里程碑，同时也向世界宣告了电子计算机时代的开始。冯·诺依曼，也因此成为当之无愧的“计算机之父”。

埃尼阿克问世后不久，1953年4月7日，IBM公司正式对外发布自己的第一台电子计算机 IBM701。同年8月，又发布了应用于会计行业的IBM702计算机。IBM还推出了IBM650，以低廉的价格和优异性能在市场中获得极大成功，至此，IBM确立了其行业领导者的地位。

晶体管计算机问世

以埃尼阿克为代表的第一代电子管计算机，体积巨大、能耗高、故障率高、制造成本高昂，这些都制约着其应用和普及。直到1947年12月，美国贝尔实验室的肖克利、布拉顿和巴丁使用一些金箔、半导体材料和一个弯曲的别针发明出晶体管，才开辟了电子时代新纪元。肖克利、布拉顿和巴丁也因此获得1956年诺贝尔物理学奖。

1954年，美国贝尔实验室成功研制出第一台使用晶体管线路的计算机TRADIC（催迪克）。它的问世，标志着晶体管计算机时代的到来。

晶体管计算机的主存储器是磁芯存储器，使用磁盘作为辅助存储器。与电子管计算机相比，晶体管计算机重量仅为原来的百分之一，体积与功耗减少到原来的三百分之一。晶体管计算机的软件开始使用面向过程的程序设计语言，即以过程为中心，完成最终处理结果的编程思路。当时，晶体管计算机使用算法语言、公式翻译等编程语言。

“克雷机”与超级计算机

1960年，仅仅31岁的西蒙·克雷被CDC公司任命为总设计师，受命为美国原子能委员会研发超级计算机。经过3年的潜心开发，1963年，CDC6600问世。这台安装了35万只晶体管的超级计算机成为当时世界上运算速度最快的计算机。

1972年，克雷从CDC公司辞职，创立“克雷研究公司”。3年后，“克雷1号”诞生，这台重达5吨、安装了35万块集成电路的超级计算机，第一次实现了每秒一亿次的运算速度，继CDC6600之后成为运算速度最快的“计算机之王”。

超级计算机能执行个人计算机无法处理的大资料量与高速运算，主要用于承担重大的科学研究、国防尖端技术和国民经济领域的大型计算及数据处理，如天气预报、卫星照片处理、原子核物的探索、洲际导弹和航天技能研究等。发展到今天，超级计算机的运算速度大都可以达到每秒一太（Trillion，万亿）次以上，其计算速度成为世界各国在计算机领域技术发展对比的参数之一，标志着一个国家的科学技术和工业发展的程度。

电子器件微型化新纪元

说到计算机的体积，如果说第一代电子管计算机是三间房的话，那么第二代晶体管计算机就成了二张桌，但人们希望的却是一台抽屉大小的计算机。

于是，科学家们开始采用小型化思路，将晶体管体积缩小到米粒一样大小，然而这种小型化的做法不是无限的，当它到达一定程度后，晶体管功能就会逐渐消失。计算机的发展也由此进入了一个瓶颈。

而与此同时，科技的不断发展以及商业的个人化，对电子设备的小型化、低功耗提出了更高需求，由此催生了新兴电子元件--集成电路。endprint