计算机科学速成课 02:电子计算机继电器术语“bug”的来源真空管晶体管发展路径 转

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目录:

一、继电器

二、术语“bug”的来源

三、真空管

四、晶体管

五、基础单元的发展路径


一、继电器

1937年最大的机电计算机之一是哈佛的马克一号,是IBM在1944年给二战同盟国建造的。该机器的大脑是由继电器(relay)构成的,存在大约3500个继电器。

继电器:用电控制的机械开关

控制线路用于控制电路的开关,它连接着一个线圈,当线圈通电时,会产生感应磁场,由此能够吸引上方的金属臂,从而闭合电路,得到高电平。

性能:1940年一个好的继电器1秒能翻转50次。哈佛马克一号1秒能做3次加减法运算,一次乘法需要6秒,除法需要15秒,三角函数需要一分钟以上。

缺点:控制开关的金属臂是“有质量的”,因此无法快速开关。并且金属臂的反复移动就会存在磨损(任何会动的机械都会随时间磨损),哈佛马克一号平均每天需要更换一个故障继电器。


二、术语“bug”的来源

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“从那时起,每当电脑出了问题,我们就说它出了bug(虫子)”。


三、真空管

1904年,英国物理学家John Ambrose Fleming开发了新的电子组件——热电子管(Thermionic valve)。

热电子管:把两个电极装在一个气密的真空玻璃灯泡中。其中一个电极A可以加热,从而发射电子,称为热电子发射(Thermionic emission);另一个电极B会吸引电子,来形成电流。

但只有当电极B带正电时才能吸引电子,否则当电极B带负电荷或者中性电荷时,电子就无法跨越真空区域。

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。

1906年,美国发明家“Lee de Forest”在“John Ambrose Fleming”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。因此通过控制线路来断开或闭合电路,实现了继电器的功能,但重要的是,真空管内没有会动的组件,这意味着更少的磨损。

性能:每秒可开闭数千次。

优势:和继电器相同的是,可以通过一个控制线路来控制断开或闭合电路,并且真空管内没有会动的组件,因此存在更少的磨损。

缺点:比较脆弱,并且会像灯泡一样烧坏,并且体积比较大。

真空管的出现,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是巨人1号,由工程师Tommy Flowers设计并于1943年12月完工。巨人1号包含1600个真空管,并被认为是第一个可编程的电子计算机,编程方法是把几百根电线插入插板,由此让计算机执行正确操作。

电子数值积分计算机ENIAC,在1946年于宾夕法尼亚大学设计制造,这是世上第一个真正的通用可编程电子计算机,每秒可执行5000次十位加减法。但是由于存在大量的真空管,因此ENIAC运行半天左右就会出现一次故障。


四、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。原理过于复杂,这里只涉及基础部分。

晶体管:类似于继电器和真空管,晶体管也是一个用于控制电路闭合断开的开关。晶体管有两个电极,这两个电极之间通过半导体材料隔开。

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。

这里通过控制连接到半导体的电极电荷数,可以控制半导体的导电性,由此来控制电流是否流动。当控制线路通电时,两个电极接通,否则两个电极断开。

性能:每秒可开关10000次。

优势:相比玻璃制成的真空管(玻璃的、易碎的),晶体管是固态的,并且体积远小于继电器和真空管。

第一个消费者可购买的,完全由晶体管构成的计算机是1957年发布的IBM 608,它有3000个晶体管,每秒执行4500次加减法,或80次左右的乘除法。

如今,计算机里的晶体管小于50nm,并且每秒可切换上百万次,工作几十年。很多晶体管和半导体开发在圣克拉拉谷,位于旧金山和圣河西之间,由于制造半导体最常见的材料是硅,由此这个地方被称为“硅谷”。并且William Shockley搬过去创建了肖克利半导体,里面的员工后来成立了仙童半导体,而这里面的员工后来创立了英特尔,当今最大的计算机芯片制造商。


五、基础单元的发展路径

计算机的大脑 基础单元的发展路径:继电器→真空管→晶体管。


 

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