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

Posted 2021-09-03 hello world

tags:

篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了计算机科学速成课 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相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

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。