芯片战争-4：并行计算机 磁芯存储器

芯片战争-4：并行计算机 磁芯存储器

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中国半导体产业的思考—随笔之《芯片战争——亮剑！国运之战》

芯片战争4—并行计算机、磁芯存储器

（混沌之际，1932-1949年）

旋风计算机是全球第一台具有交互式技术革新理念的计算机，采用数字计算机取代模拟计算机，以并行结构取代串行结构，技术上明确“程序存储”的设计方向。中国人王安拔得头筹，所提出的磁芯存储器成为全球计算机工业发展历史上第二个具有革命性意义的里程碑。

正文：

第一章 混沌之际

第二节：并行计算机、磁芯存储器

我们再看看在历史上非常出名的“旋风计算机”，在研制旋风计算机的过程中，同时也是全球第一台具备程序存储功能的并行结构计算机、磁芯存储器等一系列重要技术的研制过程。

并行结构计算机——源自于美国空军的飞行模拟器项目。1944年，为了取得对法西斯最终的决定性胜利，美国空军部门耗资了500万美金，资助了麻省理工学院辐射实验室（后来更名为林肯实验室），重点研制旋风计算机（Whirlwind）以用于飞行模拟器的训练。

经过多次的项目论证，美国科学家们最终采用了“并行运算结构”以取代传统的“串行结构”，这种架构可以同时运算处理2000条以上的指令，这一改变，大幅度提升了飞机飞行时的稳定性。1951年4月问世的旋风计算机，这是全球第一台具备“程序存储”功能的并行计算机，其采用当时最新发明的阴极射线管磁芯存储器作为内存，运行速度提高了2倍以上。

RadiationLaboratory,MassachusettsInstitute of Technology（麻省理工学院，辐射实验室），美国人第一个国家级实验室。

辐射实验室（Rad Lab）最早的名字为微波实验室，于1940年10月11号成立，在麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）秘密成立的，是美国国防研究委员会（NationalDefense Research Committee）的一个部门，可以说这是美国人第一个国家级的实验室，其最初主要的职责就是负责开发英国人所研制的雷达和磁控管技术。Lee A.Dubridge被任命为实验室主任，1945年实验室关闭，后来更名为林肯实验室。

但是，实际上，辐射实验室在历史上的作用和地位是非常突出的。第二次世界大战期间，美国辐射实验室主导的微波雷达工程是仅次于曼哈顿工程的第二大科学工程，也是盟军取得反法西斯战争胜利的两大法宝之一。

美国人有一句话直接点名了这两大项目工程的历史贡献：“为我们终结二战的是原子弹，而帮助我们赢得战争的则是雷达。”

微波雷达工程，历史上该项目的核心研究机构是1940年建立的麻省理工学院辐射实验室，它在万尼瓦尔.布什的参与和领导之下成为美国历史上第一个大规模、多功能的定向研发实验室。

短短5年里，辐射实验室取得了正常情况下20年才能取得的研究成果，设计开发了战争期间将近一半的应用雷达，以1.5亿美元经费产生了价值14.6亿美元的雷达产品。战争结束时，员工发展到3000多人，工程师和科学家站了30%，当时全球一流的物理学家中有一半为其效力。辐射实验室是历史上第一个大规模、多学科交叉定向研究实验室，其研发成果以及培养出的人才为战后美国科技的腾飞奠定了坚实基础，该机构的成功经验为战后美国大科学研究的组织和实施树立了典范。

在辐射实验室，也有不少中国人的身影，他们为第二次世界大战的最终胜利做出了巨大的贡献。其中，最为著名的是有着“噪声女杰”之称呼的王明贞先生、“微波先驱”之孟昭英先生、以及“双奖华人”之葛庭燧先生等三人，战争时期他们在美国麻省理工学院参与了雷达关键技术的研究，美国人称之为“中国三杰”。

麻省理工学院出版了一本《FIVE YEARS At the Radiation Laboratory》的纪念性的作品，为纪念MIT（美国麻省理工学院）辐射实验室短短五年的活动概况，内容涉及当时最尖端的技术，书中留下了“噪声女杰”王明贞、“微波先驱”孟昭英和“双奖华人”葛庭燧三位中国人的身影。

图：美国麻省理工学院为纪念辐射实验室出版的纪念册

特别是王明贞先生，她是辐射实验室中贡献最大，也是工作时间最长的一位中国人。她主持编写了《雷达系统工程》被全球物理学家奉为圣经。诺贝尔物理学奖得主拉比，称它为“继旧约圣经之后最伟大的工程”。

《雷达系统工程》也为21世纪的全球微电子技术、信息技术、天文学等领域奠定了基础。王明贞先生对这本书贡献极其巨大，这本书的序言高度评价了她的工作：“王明贞先生不仅完成了13章所叙的全部工作，并且帮助全书有关理论的各章进行计算和描述工作。。。”

后来，朝鲜战争爆发后，王明贞先生毅然选择返回祖国，但是被美国当局限制了五年时间之久，才得于1955年返回中国大陆。王明贞先生与中国半导体科学、工业的发展有着渊源，具体随笔后文再叙述之。

林肯实验室，随着冷战的展开，于1951年，美国政府再一次在麻省理工学院的列克星敦（Lexington），以及在原先辐射实验室的基础上再次创建了林肯实验室。

该实验室是美国联邦政府投资的研究中心，其基本使命是把高科技应用到美国国家安全的危急问题上。它很快在防空系统的高级电子学研究中赢得了声誉，其研究范围又迅速扩展到空间监控、导弹防御、战场监控、空中交通管制等领域，是美国大学第一个大规模、跨学科、多功能的技术研究开发实验室。

1957年该实验室建成全固态、可编程数字计算机控制的雷达系统（Millstone Hill radar），实现了对空间目标的实时跟踪，既能跟踪苏联卫星的活动，也能监控卡那维拉尔角的火箭发射。后来，这发展成弹道导弹战略防御系统，其中关键性的技术是数字信号处理和模式识别。

在20世纪60年代初期，林肯实验室开发了卫星通信系统，主导了8颗实验通信卫星的发射。在20世纪70年代初期，实验室开始研究民航交通管制，强调雷达监控，进行恶劣气象的检测，开发了航空器的自动化控制装置。在20世纪80年代，实验室为克服大气紊流的影响，开发了大功率激光雷达系统。20世纪90年代，为NASA等开发了传感器。由此，林肯实验室在开发陆地图像处理设备等领域独树一帜。

为了支持庞大的创新研究，林肯实验室一直保持了在基础研究上的领先地位，例如表面物理、固态物理以及有关材料的优势。它完成了开发半导体激光器的早期研究，设计了红外激光雷达，并开发了高精度卫星定位与跟踪系统。

林肯实验室在计算机图形学、数字信号处理理论以及设计与建造高速数字信号处理计算机等方面做出很大的贡献。信号处理毕竟是实验室许多项目的核心技术，包括高吞吐率的通用信号处理器。它在语音编码与识别方面也有许多出色工作，为自动翻译开拓了研究道路。

林肯实验室曾经有雇员2432人，它在2003财政年度的经费是5.226亿美元，其中91.6%即4.787亿美元来自美国国防部。毫无疑问，MIT林肯实验室事实上它就是美国军事电子系统的研发主导力量。

言归正传，我们继续重点讲述旋风计算机的发展过程。

第二次世界大战期间，为了训练轰炸机飞行员，美国海军部曾向麻省理工学院探询，是否能够开发出一款可以控制飞行模拟器的计算机。美国军方当初的设想只是希望通过该计算机将飞行员模拟操作产生的数据实时反映到仪表盘上。但是，与之前的模拟设备不同，军方要求该计算机应基于空气动力学原理进行设计，要求与实物无限接近，以便能够进行各种航空模拟训练。

麻省理工学院方面很快就对军方给予了肯定答复，于是美国海军部将这项计划命名为“旋风计划”，并开始向该工程提供研究资金，福里斯特教授（JayWright Forrester）被选任命为项目第一负责人。“旋风计划”的研发人员起初认为，这项工程开发的只是一个大型模拟计算机，这错误的认识使得最初方案的准确度和灵活度等关键技术指标均不符合美国海军的标准和要求。

1945年，“旋风计划”项目组成员杰里.克劳福德在观看过ENIAC大型计算机的试运行后提出了一种新的设想，那就是可以以数字式计算机作为项目的主要解决方案。数字式计算机，这种方案其优点在于，由追加“程序”取代了追加“零件”，将有可能提高模拟飞行的准确度。

这是产业界第一次从模拟计算机转向数字计算机，同时，最为关键的是，数字计算机这种方案第一次明确提出了“存储程序”的概念。存储程序指的是，程序被当做数据存储到计算机内部，以便于计算机能够自动依次执行指令，再不需要另外去接通什么电路。这种“存储程序”的方式因为具有随机存取的特征，故又称之为随机存取存储器（RAM）。

熟悉全球计算机发展历史和半导体发展历史的随笔朋友们，看到这里，是否有一种“哦，原来如此”的感觉呢。

图：上世纪40-50年代的“编程方式”—插拔零部件电路

具有“存储程序”功能的方案在今天看来并不算什么，但是在当那一时期，这是具有革命性意义的一次重大的技术突破。

1948年，“旋风计算机”开始从实验室进入了生产阶段，总共有175名工程师参与了量产过程，其中70人为技术和研究人员，这一项目耗时了整整三年，于1951年才正式诞生旋风计算机。刚研制出来的旋风计算机，其不仅应用于美国海军部门，还被应用于美国空军，比如美国空军的SAGE系统中。

“旋风计算机”项目最初的资助者是美国海军，但是因为项目的重要性和特殊性，特别是1949年苏联引爆了第一颗原子弹后，美国国防部经过讨论决定，“旋风计算机”这一项目最后应由美国空军进行总负责。

图：1951年全球第一台具备程序存储功能的并行计算机—旋风计算机

旋风计算机提出了许多具有非常技术前瞻性的理念，比如旋风计算机的系统架构，最后被蓝色巨人—IBM公司应用、吸收和消化，并进一步推出了AN/FSQ-7系统并服务于美国空军的SAGE系统。

后来，IBM公司又将旋风计算的“实时技术”应用到SABRA系统，这就是今天航空行业“机票预约系统”的最早雏形。

图：旋风计算机的控制台

磁芯存储器——源自美国空军的旋风计算机项目。最初提出磁芯存储器设想的是麻省理工学院主持旋风计算机研制的福里斯特教授（Jay Forrester），但是把它转为现实的是一位中国人——王安。

磁芯存储器是继磁鼓存储器之后，现代电子计算机存储器发展历史上的第二个具有革命性意义的里程碑，它曾经占据了全球存储器90%以上的市场份额，直到1970年，才被本文的主角——动态随机存储器（Dynamic Random Access Memory,DRAM）所取代。

图：1949年中国人王安博士发明磁芯存储器

旋风计算机最初的运算速度只有20kips，真正距离投入实用还有一定的差距，其中最主要的问题在于主存储器——威廉姆斯管的使用上，为了解决和克服存储的难题，福里斯特教授曾经尝试过使用包括螺旋状磁带在内的多种方法进行代替，但是效果始终表现不佳。

威廉姆斯管，究其原理，其实就是一个CRT（阴极射线管），那么CRT怎么又具有了存储器功能的呢？原来CRT的电子束在轰击荧光屏表面时，不仅会发光，而且在荧光屏表面会有正电子产生。让需要存储的数据通过CRT发射，就是一个“写”的过程，而通过检测荧光屏表面电荷，就可以知道存储的数据，这就成了“读”的过程。这样每一个威廉姆斯管都可以存储1024位数据。比如，1952年，IBM公司的701计算机就使用了一组直径三英寸的威廉姆斯管。

威廉姆斯管主要的问题有，易碎、存储量小、价格昂贵。最重要的是，威廉姆斯管在工作时，它表面的电荷维持时间是很短的，每隔一段时间，它就得重新发送一次电子束以维持电荷，这就是“刷新”，并且这一理念，在后续DRAM为代表的存储器芯片的发展演进进程中被保留和延续下来了。

图：IBM公司的701计算机，采用的存储器是威廉姆斯管

IBM之7O1计算机系统采用真空管逻辑电路和静电存储器，也就是由72个容量为1024位的威廉斯管组成，共2048个字节，每个字节36位。

其72个威廉姆斯管的直径都是3英寸。内存可以扩展到最大4096个字的36位，通过添加第二组72个威廉斯管替换整个存储器。威廉姆斯管存储器和后来的核心内存都有12微秒的内存周期。威廉斯管内存需要定期刷新，强制将刷新周期插入到701的计时中。加法操作需要5个12微秒的周期，其中两个是刷新周期，而乘法或除法运算需要38个周期（456微秒）。

图：IBM公司之701计算机上配置的威廉姆斯管

1948年，项目组的艾肯博士，他曾经是马克1号计算机的主要发明人，艾肯博士慧眼识英才，他建议把研制新型存储器的重任交给了王安，一个年轻的中国留学生。此刻的王安同学，刚刚到哈佛实验室工作才仅仅三天，那一年，王安只有28岁。

王安先生，出生于中国江苏昆山，在上海长大，16岁就考上并毕业于上海交通大学的电机工程专业，抗日战争期间，在上海法租界完成了学业。毕业后留在上交大担任助教一年。

二战结束后，王安留学美国，仅仅只用了16个月就获得哈佛大学的博士学位，真的是“自古华人出天才”啊！

图：王安先生年轻之时

接受研制新型存储器之任务后的王安，把自己“反锁”在实验室里面，潜心研究磁性材料，三个星期，仅仅只用了三个星期，王安终于用铁氧体材料制成了一种直径不到1毫米的小磁芯，这就是磁芯存储器的原型。真的是“自古天才多华人”啊！

图：王安博士在哈佛实验成功研制出磁芯存储器原型，图1

王安发明的磁芯存储器之设计原理，就是在铁氧体磁环里穿进一根导线，导线中流过不同方向的电流时，可使磁环按两种不同方向进行磁化，代表“1”或“O”的信息便以磁场形式存储下来，从而完成存储过程。从另外的角度而言，王安发明的磁芯存储器开创了随机存储之先河。

图：磁芯存储器的原理

旋风计算机最终选择了中国人王安所发明的磁芯存储器作为主存储器。由此，旋风计算机的运算速度得以提升至原来阴极射线管存储器的2倍，达到了40kips，这一速度在当时是可以让人睁目结舌的数字。

图：王安博士在哈佛实验成功研制出磁芯存储器原型，图2

由于磁芯存储器的应用，旋风计算机的运算速度成为了当时的全球第一，加法速度只需8微秒，乘法运算速度为25.5微秒，除法运算只需要57微秒（嗯，这已经扣除了存储器的读取时间）。可谓是当之无愧的全球第一，地表最强！

图：旋风计算机采用的磁芯存储器

磁芯存储器更加令人惊喜的是，其数据读取时间仅仅只需要8微秒，而原先的磁鼓存储器的读取时间确需要高达8500微秒。由此，仅凭借这一技术性能，磁芯存储器就此奠定了成为了今天现代电子计算机存储器发展历史上第二个里程碑的历史地位！

福里斯特教授（Jay Wright Forrester）领导的“旋风计算机”项目组中，团队成员多达400余人，其中有一个年轻人叫肯.奥尔森（Ken Olsen），当时他在麻省理工学院读书呢。

肯.奥尔森，中学毕业后就参加了美国海军，二战结束后，奥尔森结束兵役后就考上了麻省理工学院，大学期间他也参与了旋风计算机的研制团队，后来他创立了一家公司叫做数字设备公司（DEC），最初的产品是存储器的测试设备。

后来，于1959年，DEC公司第一台设备PDP-1诞生，这是全球第一台配置了显示器的计算机，奥尔森称之为“程序数据处理机”，采用全晶体管器件设计。于1965年，DEC公司推出了PDP-8计算机，这台计算机采用全集成电路设计，故被当时的人们称之为“迷你机”，又称之为“小型机”，奥尔森也被人们称之为“小型机之父”。

PDP-1和PDP-8计算机对于全球半导体工业的发展历史具有着重要之意义，DEC公司和奥尔森相关的历史事迹，具体请见随笔后文论述之。

需要说明的是，王安申请专利的磁芯存储器，技术上做了一定的回避，也就是“在单条导线上使用磁芯，以形成延迟线”；而旋风计算机之专利实际上是将“磁芯放在用导线编成的立体方阵上，从而形成了数据和指令的存取”。在专利技术上，两者具有一定的差异性。

旋风计算机的数据、程序的的存取原理是通过对磁芯耦合电流的随机读取而实现的，故称之为“随机存取”，这种随机存取存储器（RAM）的技术思想也构成了今天半导体存储器的技术基础之一，仅就这一点而言，旋风计算机也是全球第一台具有交互式技术革新理念的计算机。

可以说，旋风计算机所提出的采用数字计算机取代模拟计算机的理念，同时以并行结构取代传统串行结构的架构，在技术上，这进一步明确了“程序存储”的设计方向，这就使得科学家们不得不集中力量去研究读取速度更快的存储器，而中国人王安先生最终拔得头筹，他所提出的磁芯存储器最终取代了磁鼓存储器、威廉姆斯管等在内的其他传统存储器，并成为了全球计算机工业发展历史上的第二个具有革命性意义的里程碑。

同样，在全球计算机存储器发展历史上，并行结构计算机所采用的磁芯存储器又推动着产业发展向前迈进了一大步，全球半导体硅含量提升周期之时代渐行渐近。

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