真空管電腦

愛荷華州立大學阿塔納索夫-貝里電腦的複製品
1946 年的 ENIAC 電腦使用了 17,000 多個真空管
真空管電腦，現在稱為第一代電腦，是一種使用真空管作為邏輯電路的電腦。儘管真空管電腦被第二代晶體管電腦所取代，但真空管電腦在 20 世紀 60 年代仍在繼續生產。這些電腦最初是獨一無二的設計，但在 20 世紀 50 年代推出了商業型號，並售出多臺，數量從個位數到數千臺不等。

**發展**
Eccles 和 Jordan在1918年描述了使用交叉耦合真空管放大器產生脈衝序列的方法。該電路成為正反器的基礎，其後電子二進制數字電腦以正反器作為基本元件。
阿塔那索夫貝理電腦的原型於 1939 年首次展示，現在被認為是第一臺真空管電腦。 其只能解線性方程組，因此不算通用電腦，而且可靠性也不高。
布萊切利公園的 Colossus 電腦
第二次世界大戰期間，諸如Colossus之類專用真空管數字電腦被用來破譯Fish 密碼（德國機器密碼）。其破譯的軍事情報，對於盟軍的戰況起關鍵作用。戰爭結束前，布萊切利園中有10 架Mark II COLOSSI用於情報用途，每部COLOSSI都搭載了1,600 個Mark I真空管和 2,400 個Mark II真空管，用於以取代希思·羅賓遜密碼破譯機。。  布萊切利園的密碼破譯任務一直被保密至1970年代。 
同一時期，康拉德·楚澤正在研發機電結構的二進制電腦，但彼時德國沒有優先選擇開發電腦。1942年製造了一個由大約100個電子管組成的實驗性電子電路，但在一次空襲中被毀。
美國在第二次世界大戰後期開始ENIAC電腦的研究工作，並於 1945 年完成。雖然ENIAC最初的研發目的是開發氫彈，但推動其發展的用途是生產火炮發射臺 。 ENIAC 最初是使用插板和開關而不是電子存儲程序進行編程的。戰後一系列的ENIAC設計公開講座，以及馮·諾依曼關於ENIAC“可預見的後繼者”的報告（EDVAC報告書的第一份草案）廣泛傳播，對戰後真空管的設計產生了影響。
Ferranti Mark 1 (1951) 被認為是第一臺商用真空管電腦。第一批批量生產的電腦是Bull Gamma 3 （1952 年，1200 臺）和IBM 650 （1954 年，2000 臺）。

**設計**
真空管技術需要大量電力。 ENIAC電腦（1946 年）搭載超過 17,000個電子管，並且平均每兩天發生一次電子管故障（每次需要15分鐘定位故障原）。 ENIAC運行時消耗 150千瓦功率，其中加熱管使用80千瓦，直流電源45千瓦，鼓風機20千瓦，穿孔卡輔助設備5千瓦。
德克薩斯 A&M 大學的 IBM 650
由於電腦中數千個電子管中任何一個發生故障都可能導致錯誤，因此電子管的可靠性非常重要。專為電腦而製造的高品質晶體管，其材料要求、檢驗和測試標準高於標準晶體管。
一種在模擬數字運算電路中很少出現的效應是陰極中毒。在沒有板電流的情況下長時間運行的真空管會在陰極上形成高電阻層，而降低增益。電腦顯像管需要專門選擇材料以降低影響。為了避免加溫導致因產生機械應力而斷裂，通常加熱器會慢慢地提升至全工作電壓，時間可能達一分鐘以上。在機器待機期間，加熱器電源可在保持打開狀態的同時關閉電源。而電腦的子系統中內置“邊緣測試”；通過測試是否正常運行，此測試可以檢測到存在故障風險的組件。為了提高了電源電壓的穩定性和調節性，其由發電機組供電，。date=December 2017
真空管電腦的構造使用了兩種主要類型的邏輯電路。 “異步”或直接直流耦合類型僅使用電阻器來連接邏輯門之間以及門本身內部。邏輯電平由兩個相距很遠的電壓表示。在“同步”或“動態脈衝”邏輯類型中，每個級都通過脈衝網絡（例如變壓器或電容器）耦合。每個邏輯元件都施加了“時鐘”脈衝。邏輯狀態由每個時鐘間隔期間脈衝的存在或不存在來表示。異步設計可能運行得更快，但需要更多電路來防止邏輯“競爭”，因為不同的邏輯路徑從輸入到穩定輸出的傳播時間不同。同步系統避免了這個問題，但需要額外的電路來分配時鐘信號，該信號對於機器的每個階段可能有多個相位。直接耦合邏輯級對元件值漂移或小洩漏電流有些敏感，但操作的二進制性質為電路提供了相當大的餘量，以防止漂移引起的故障。  “脈衝”（同步）計算的一個例子是 MIT Whirlwind 。 IAS 電腦（ ILLIAC等）使用異步、直接耦合邏輯級。
電子管電腦主要使用三極管和五極管作為開關和放大元件。至少有一個專門設計的門管具有兩個特性相似的控制柵極，這使得它可以直接實現一個雙輸入與門。 有時會使用閘流管，例如用於驅動 I/O 設備或簡化鎖存器和保持寄存器的設計。真空管電腦通常廣泛使用固態（“晶體”）二極管來執行“與”和“或”邏輯功能，並且僅使用真空管來放大級之間的信號或構建觸發器、計數器和寄存器等元件。固態二極管減小了整機的尺寸和功耗。

**內存技術**
早期系統在採用磁芯存儲器之前使用了已經多種存儲器技術。 1942 年的阿塔納索夫-貝里電腦將數值以二進制數的形式存儲在旋轉的機械鼓中，並有一個特殊的電路在每次旋轉時刷新這種“動態”存儲器。戰時的ENIAC所使用的真空管寄存器太昂貴，因此只可以存儲20個數字。在開發出一種實惠的存儲器之前，預存程序的電腦遙不可及。
1944 年， 約翰·皮斯普·埃克特曾使用延遲線存儲器進行雷達信號處理，因此提議在下一代電腦中使用水銀延遲線存儲器。而莫里斯·威爾克斯於1947年製造了搭載延遲線存儲器，可以存儲32個17位元字符的EDSAC電腦，。由於延遲線存儲器本質上是串行的，因此機器邏輯也是位串行的。  埃克特和約翰·莫奇利在 1951 年製造的UNIVAC I中也使用了該技術，並於 1953 年申請了延遲線存儲器專利。延遲線中的比特以聲波的形式存儲在介質中，以恆定的速率傳播。UNIVAC I使用了七個存儲單元，每個存儲單元包含 18條汞柱，每條汞柱可以存儲120位元。形成可以儲存1,000 個 12 字符單詞的內存，平均訪問時間為 300 微秒。 
電腦歷史博物館的701
威廉姆斯管是第一個真正的隨機存取存儲設備。威廉姆斯管在陰極射線管上顯示網格點，在每個點上產生少量靜電。每個點位置的電荷由顯示器前面的薄金屬片讀取。 Frederic Calland Williams和Tom Kilburn於 1946 年為威廉姆斯管申請了專利。威廉姆斯管讀寫速度比延遲線快，可靠性問題不足。UNIVAC 1103搭載了36個威廉姆斯管，容量為1,024位，總隨機存取存儲器為1,024個36 比特字符。 IBM 701上威廉姆斯管存儲器的讀寫延遲為30微秒。 
1932年，奧地利的Gustav Tauschek發明磁鼓存儲器。  鼓由塗有鐵磁記錄材料的大型快速旋轉金屬圓筒組成。大多數鼓沿著鼓的長軸為每個磁道具有一排或多排固定讀寫頭。鼓控制器選擇所需的磁頭，鼓轉動時數據會出現在磁頭下方。IBM 650 的鼓存儲器可存儲 1,000 至 4,000 個 10位元字符，平均讀寫延遲為 2.5 毫秒。
旋風計劃的核心內存，大約 1951 年
磁芯存儲器於 1951 年由A Wang申請專利。核心採用微小的磁環核心，通過導線穿過磁環來寫入和讀取信息。每個核心代表一位信息。磁芯可以以兩種不同的方式磁化（順時針或逆時針），磁芯中存儲的位為零或一，具體取決於該磁芯的磁化方向。這些導線允許將單個磁芯設置為 1 或 0，並通過通過選定的導線發送適當的電流脈衝來改變其磁化強度。核心內存除了更高的可靠性之外，還提供隨機訪問和更高的速度。它很快就被應用於 MIT/IBM Whirlwind等電腦中，其中安裝了最初的 1,024 個 16 位字內存，取代了威廉姆斯電子管。同樣， UNIVAC 1103於 1956 年升級為 1103A，核心內存取代了 Williams 電子管。 1103 上使用的核心內存的訪問時間為 10 微秒。 

**電腦工業的起步**
20 世紀 50 年代，電子電腦從一個研究項目發展成為一種商業產品，具有通用的設計和多個副本， 從而開始了一個重要的新產業。早期的商用機器使用真空管和各種存儲技術，到本世紀末集中在磁芯上。
許多早期的商用機器繼承了一次性機器的基礎，專為科學、工程和軍事目的所需的快速數學計算而設計。但有些是為現有的大型打孔卡生態系統產生的數據處理工作負載而設計的。 IBM 特別將其電腦分為科學和商業系列，它們共享電子技術和外圍設備，但指令集架構和軟件完全不兼容。這種做法一直延續到第二代（晶體管化）機器中，直到由IBM System/360項目重新統一。請參閱IBM 700/7000 系列
以下是這些第一代商用計算機的列表。

**另見**
 計算硬件的歷史- 真空管電腦列表- 7AK7真空管- 存儲程序電腦

**參考資料 ==