芯片战争-3：大型计算机 磁鼓存储器

芯片战争-3：大型计算机 磁鼓存储器

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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3—大型计算机、磁鼓存储器

（混沌之际，1932-1949年）

ENIAC大型计算机诞生，标志着人类“硅文明”社会第一次跨进了电脑时代的门槛。而ENIAC所提出的多用途功能和能力，使得磁鼓存储器成为全球计算机工业第一个里程碑。中国人朱传榘在ENIAC的突出贡献成为了IEEE计算机先驱奖的第一届得奖者。

正文：

第一章 混沌之际

第一节：大型计算机、磁鼓存储器

混沌之际，1932—1949年，美国人开启了人类历史的“硅文明”时代。核心技术：半导体“锗”晶体管、大型电子计算机、并行计算机、磁芯存储器等。

第二次世界大战，为了人类的前途和命运，为了打败德意日法西斯，美国、苏联、中国等同盟国为此付出了巨大的努力和牺牲。其中，美国军方重资下注，汇集了包括中国人在内的全球顶级科学家们，通过对现代电子计算机产品等一系列重大军工项目的研制，培育了早期的半导体工业。

特别是在1947年，美国新泽西州的贝尔实验室，美国人成功研制出了全球第一个半导体晶体管——“锗”晶体管，这一半导体点接触式晶体管的发明，正式标志着人类社会首次进入了“硅文明”时代。而全球其他国家，此时，仍处于半导体工业的混沌之际。

图：混沌之际，全球半导体工业1932—1949年

1932年，现代电子计算机存储器发展历史上第一个里程碑—磁鼓存储器诞生了。美国IBM公司，一位来自奥地利的工程师—古斯塔夫·陶斯切克（Gustav Tauschek），采用电磁感应原理，发明了磁鼓存储器，这是全球第一种被获得广泛使用和认可的计算机存储器。

磁鼓存储器，是利用铝鼓筒表面涂覆的磁性材料来存储数据的。其鼓筒旋转速度很高，因此其存取速度也非常快。磁鼓存储器一般采用饱和磁记录的方式，从最初的固定式磁头逐步发展到后期的浮动式磁头，从早期的采用磁胶介质再逐步发展到采用电镀的连续磁介质。

磁鼓存储器所发展的这些核心技术，都为后来的磁盘存储器的发展打下了坚实的技术基础。

图：古斯塔夫·陶斯切克（Gustav Tauschek），位于中间

古斯塔夫·陶斯切克（Gustav Tauschek），这是一个天才，在为IBM公司工作的短短5年时间了，他一共发明了169项发明专利，除了磁鼓存储器之外，还有很多发明技术即使在今天依旧是信息科技的基础，比如，光学字符识别（OCR）等。小伙伴们，是不是觉得很眼熟呀。

磁鼓存储器，这是个非常的粗大而笨重的大家伙，就像一个两三米长的巨型大滚筒的大肚子一般，在其内部安装了具有磁性介质的高速旋转圆筒（转速大约为每分钟1万转），和一排排固定的读/写磁头，这些磁头的主要功能是用来读取和写出数据。

虽然块头非常大，但磁鼓存储器的存储容量却是非常的小，一般只有几K而已，并且其售价却极其昂贵。如果按照比特的单位进行换算，1 bit磁鼓存储器的价格估计在那一时期可以等价于一栋大别墅了。

图：1932年，IBM公司UNIVAC计算机所采用的磁鼓存储器

即使在上世纪50年代，最先进的磁鼓存储器也只有10 kb左右的容量而已。比如，IBM公司的650计算机所采用的磁鼓存储器，长度为16英寸，具有40个磁道，10 KB容量，转速为12500转/分钟。

图：美国IBM公司650计算机用的磁鼓存储器

InternationalBusiness Machines，IBM公司，无人不晓的蓝色巨人。

在1911年，IBM公司的前身在美国纽约州恩迪科特成立，后来，合并了几家公司，由此成立了一家名为计算制表记录的公司。1924年，这家公司正式更名为International Business Machines,Inc.，也就是今天的IBM公司。由此，IBM公司很快就在20世纪上半叶成为美国最主要的商业和会计机器供应商。

人们更喜欢将IBM称之为蓝色巨人，但是，最早的时候IBM的颜色并不是蓝色，而是黑色。

图：IBM公司商标，从CTR到IBM，从黑色到蓝色

在1964年，IBM推出的使用SLT（固态逻辑技术，也就是今天的集成电路逻辑芯片）混合晶体管模块的System/360大型计算机，由此进一步奠定和巩固了IBM在全球产业界的领先地位。后来，IBM公司率先发明了N通道MOS DRAM存储器芯片。其先进的研发和制造能力使其成为了世界上最大的半导体集成电路芯片生产厂商之一。

成立不到100年，IBM公司收入规模将近1000亿美金的规模，2006年的收入为914亿美元。这是全球第一家收入规模突破1000亿美金的科技公司。

1946年2月，美国宾夕法尼亚大学，全球第一台大型电子计算机ENIAC诞生，其采用埃克特（J.P.Eckert）设计的水银延迟线存储器，容量大约为17K。

这也是一台非常笨重、巨大的“大胖妞”，水银延迟线存储器一般占地面积达到170平米，重量达到令人咋舌的30吨，同时还它不具备存储程序的功能，指令程序要通过外接电路板输入进行操作。对于每种类型的程序指令，都需要设计相应的外接插板，如果要改变程序就必须切换相应的电路板，这使得操作起来非常麻烦，并且非常容易出错。直到1954年，美国人才在ENIAC上加装了磁鼓存储器，这才初步解决程序存储的问题。

水银延迟线存储器的原理：把代表数据的脉冲从装水银的管子的一头传到另一头，数据在进行传输时需要一秒的时间，在这一秒数据就可以进行数据的存储，但是它需要时不时的进行“刷新”来保持数据存储的结果，一根管子可以同时可以存储多个脉冲指令。

图：全球第一台水银延迟线存储器

1947年12月，美国新泽西州，贝尔实验室，肖克利、巴丁和布拉顿等三位天才的科学家共同成功研制了出全球第一个半导体晶体管——“锗”晶体管。半导体点接触式晶体管的发明，它的出现正式标志着人类社会首次进入了“硅文明”时代。

1949年，计算机存储器发展历史上第二个里程碑——磁芯存储器正式诞生了。一个中国人——王安，哈佛大学计算机实验室，成功研制出了磁芯存储器。

这一时期，美国半导体工业的发展，特别是大型计算机、并行计算机、磁芯存储器等重大发明，都主要依靠军工项目的投资。

大型电子计算机——源自于美国陆军的火炮项目。二战期间，美国陆军为了提高火炮弹道的计算精度，投资了10万美金，资助了宾夕法尼亚大学研制电子计算机，这也就有了全球第一台大型电子计算机ENIAC的诞生。

当时美国陆军部之军械部门面临一个非常棘手的难题，刚试制出来的大炮能否验收通过，需要对它发射多枚炮弹并对其炮弹的轨迹进行认真检查、计算和分析其弹着点等相关数据，包括误差原因等。一发炮弹从发射升空到落地爆炸，只需要一分钟的时间，但是计算这发炮弹的轨迹需要进行750次的乘法和更多的加减法步骤。

当时，军械部负责此事的是一位年轻的军官戈德斯坦（H.Glodstine，他是一位数学家），为此，他从陆军部抽调了100多位年轻的姑娘们进行辅助性的人工计算，但是这项工作既吃力又不讨好，并且总是经常出差错，整个计算过程经常是令人烦恼不堪。

被人海战术折磨得苦恼不已的戈德斯坦不得已找到了两位好朋友，并且同样也是数学家的莫契利（J.Mauchiy）和埃克特（P.Eckert），邀请他们帮忙设计一种前所未有的电子计算机。

图：莫契利（J.Mauchiy）和埃克特（P.Eckert）

最初的美国陆军部批准的项目费用只有10万美金，但是实际最终项目合计花费了48万美金，超出了最早预算的数倍之多，并且最终才在1946年2月14号，开发出了这台大型的电子计算机，因为这一天是情人节，开发小组的年轻工程师们亲切的将这台刚刚诞生的大型计算机命名为“大众情人（ENIAC）”，翻译成中文，其正式的名字就是“电子数字和积分计算机（Electronic Numerical Integrator and Calculator，ENIAC）”。

图：1946年全球第一台大型计算机ENIAC，图1

ENIAC大型计算机总共安装了17468只电子管，7200个二极管、70000多个电阻器、10000多只电容器和6000只继电器，电路焊接点多达50万个之多。

图：1946年全球第一台大型计算机ENIAC，图2

整个机器的表面，布满了电表、电线和指示灯，开发小组的年轻人们经常笑称ENIAC就像一个漂亮的姑娘，身上挂满了各种珠宝项链，可谓是珠光宝气、琳琅满目、贵气逼人捏。

图：第一台大型计算机ENIAC的发明者戈德斯坦和埃克特（左），以及所采用电子真空管

电子管，又名电子真空管（Vacuum Tube），这是一种电子元件，主要功能是在电路中控制电子的流动。参与工作的电极被封装在一个真空的容器内（管壁大多为玻璃），因而得名。真空管的历史可追溯自电灯泡的发明人汤玛斯·爱迪生。真空管相关历史具体请参考随笔后面叙述。

图：第一台大型计算机ENIAC采用电子真空管

ENIAC大型计算机，在那一时期，地球上最强大的计算能力。它可以在一分钟内完成5000次加减法，在0.003秒内完成两个10位数的乘法，它的运算速度是最早期手摇式的马克1号计算机（继电器计算机）的运算速度的1000倍以上。

ENIAC大型计算机一天完成的工作量相当于一个人用手摇式计算机操作40年的工作量，极大地缓解了美国陆军部年轻漂亮姑娘们的繁重不堪的工作。但是，它又是一个非常能吃电的大户，每小时耗电量达到惊人的174千瓦，据说在运行的时候，整个美国费城西区，附近周围10公里的家庭用电灯都会受到强烈的影响和干扰。

关于谁是全球第一台电子计算机还存有一种说法，就是ABC（Atanasoff-Berry Computer，阿塔纳索夫-贝瑞计算机）是第一台，而ENIAC则是第二台。

但是，无论第一台电子计算机的支持者是谁，都不可否认的是，1946年2月14日诞生的ENIAC事实上它就是世界上第一台具有“电子多用途功能和能力”的计算机。

今天的许多史料，有意无意的会说，其中，承担ENIAC开发任务的团队成员由四位科学家和多位工程师组成，分别是埃克特、莫契利、戈德斯坦、伯克斯。而总工程师埃克特，这位牛bi的天才，在当时年仅26岁。

图：2007年，ENIAC被复原，展示于美国野战炮兵博物馆

但是，在ENIAC项目组中，还有一位科学家发挥了至关重要的作用，他就是中国人朱传榘（Jeffrey Chuan Chu）先生。

今天的人们会这么说，伯克斯是IEEE计算机先驱奖的首个得奖者，这是不对的，伯克斯获得的是1982年IEEE计算机先驱奖。请朋友们记住，IEEE计算机先驱奖是在1981年首次颁发，因此伯克斯只是第二届的得奖者。

那么，IEEE计算机先驱奖的第一届得奖者是谁呢？他就是同样属于ENIAC项目组的成员，他就是中国人朱传榘先生。这一点就可以充分证明了朱传榘先生在ENIAC大型计算机开发中所发挥的重要作用。

图：朱传榘先生

朱传榘先生，1919年生于天津，毕业于上海交通大学。20岁时赴美留学，在美国明尼苏达大学取得学士学位。后来在摩尔学院攻读硕士研究生。由于成绩优异，他被美国政府抽调到ENIAC项目组工作，主要负责最难的除法器的设计。

1949年，朱传榘先生加入著名的阿贡国家实验室（ArgonneNational Laboratory），参与了AVIDAC计算机的研制。后来，又到了橡树岭国家实验室和伯克斯一起主持开发了ORACLE计算机。

1969年后，朱传榘还先后在霍尼韦尔计算机公司和王安公司任副主裁。

中国改革开放后，在海外漂泊数十年的朱老先生受邀回国。后来，朱老先生成为了中国科学院的名誉院士、中国工程学会高级教授，并担任国务院发展研究中心高级研究员、上海交通大学校委会委员、荣誉教授以及南开大学、山东大学等多个学校之荣誉教授。

2011年6月6日，朱老先生在美国家中病逝，享年92岁

图：1980年，朱传榘回国受到国家领导人的接见

朱传榘先生的夫人叫做荣智珍，她是荣鸿元先生的长女。而荣鸿元则是曾任国家副主席的荣毅仁先生的堂兄。

图：朱传榘先生和夫人荣智珍女士

时光冉冉，1996年，为纪念ENIAC诞生50周年，宾夕法尼亚大学的学生们在一块8mmX8mm的集成电路上实现了当年占地63平方米的ENIAC的全部功能。

图：宾夕法尼亚大学的学生们在一块8mmX8mm的集成电路上复制了ENIAC

图：ENIAC-on-a-chip

虽然ENIAC大型计算机远远无法和今天信息时代哪怕是最差的计算机相比较，但是无论如何，大众情人—ENIAC大型计算机的诞生，可以说，这标志着人类“硅文明”社会开始第一次跨进了电脑时代的门槛。

而ENIAC所提出的多用途功能和能力，使得科学家们将研究的目光聚焦到能够更加方便的对程序进行存储的技术领域，这就倒逼着科学家们去寻找一种具备程序存储的功能和能力的新型存储器产品，这就为磁鼓存储器取代更为传统的水银延迟线存储器创造了机会，也使得磁鼓存储器成为了全球计算机工业第一个里程碑。

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