真空管電腦

<image>

<image>

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電晶體電腦所取代，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，並售出多台，數量從個位數到數千台不等。

## 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，其後電子二進位數字電腦以正反器作爲基本元件。

阿塔那索夫貝理電腦的原型於 1939 年首次展示，現在被認為是第一台真空管電腦。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。

<image>

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位電腦，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台。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) 被認為是第一台商用真空管電腦。第一批批量生產的電腦是Bull Gamma 3 （1952 年，1200 台）和IBM 650 （1954 年，2000 台）。

## 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。

<image>

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電晶體，其材料要求、檢驗和測試標準高於標準電晶體。

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。

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路（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，但操作的二進位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體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」）二極體來執行「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。固態二極體減小了整機的尺寸和功耗。

## 記憶體技術

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位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 字符單詞的記憶體，平均訪問時間為 300 微秒。

<image>

威廉士管是第一個真正的隨機存取存儲設備。威廉士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 年為威廉士管申請了專利。威廉士管讀寫速度比延遲線快，可靠性問題不足。UNIVAC 1103搭載了36個威廉士管，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上威廉士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軌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。

<image>

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資訊。每個核心代表一位資訊。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。核心記憶體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 位字記憶體，取代了威廉士電子管。同樣， UNIVAC 1103於 1956 年升級為 1103A，核心記憶體取代了 Williams 電子管。1103 上使用的核心記憶體的訪問時間為 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，但指令集架構和軟體完全不兼容。這種做法一直延續到第二代（電晶體化）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電腦的列表。

Computer｜Date｜Units｜Notes

IBM 604｜1948｜5600｜第一個可以與單位記錄設備一起使用的全電子計算器。可以對打孔卡中的數據進行乘法和除法運算，有1250個電子管。

IBM CPC｜1949｜700｜將 IBM 604 與其他單元記錄機相結合，執行由一副打孔卡上的指令定義的一系列計算。

Ferranti Mark 1｜1951｜9｜第一台基於曼徹斯特一型的商用存儲程序電腦。

UNIVAC I｜1951｜46｜第一台量產的預存程式的電腦，使用延遲線存儲器。

LEO I｜1951｜1｜第一台用於商業應用的電腦，其基於EDSAC設計。由 J. Lyons and Co，一家餐廳和麵包連鎖店製造和使用。

IBM 701｜1952｜19｜由IBM製造，也昵稱為防禦計算器（Defense Calculator）。架構基於IAS電腦，具有威廉士管儲存器。IBM 的負責人本來計劃銷量5台，但在第一次銷售中就收到了18台的訂單。該電腦為IBM 700/7000系列中的第一台機器。

Bull Gamma 3｜1952｜~1,200｜由布爾電腦製造，是最早批量生產的電子數字電腦之一，最初設計用於補充打孔卡機。

IBM 702｜1953｜14｜與 701的技術類似，但專為商業計算而設計。

Strela computer｜1953｜7｜蘇聯製造

Datatron｜1954｜~120｜由ElectroData Corporation製造的科學/商業電腦。

IBM 650｜1954｜~2,000｜第一臺破千銷量的電腦，使用10 位十進製字的磁鼓記憶體。

IBM 704｜1954｜123｜第一台批量生產的帶有浮點運算硬體的科學電腦。採用磁芯記憶體和36位二進製字。

IBM 705｜1954｜160｜主要與IBM 702兼容，適合商業用途。慕尼黑電腦博物館內有一台已不能運行的樣本。

SEA CAB 2000｜1955｜4｜SEA 的第一台商用電腦。具有二極體邏輯以及核心和磁鼓記憶體的 22 位串行電腦。

UNIVAC 1102｜1954｜3｜為美國空軍製造的UNIVAC 1101的變體。

Zuse Z22｜1955｜55｜早期的商用電腦。

IBM 305 RAMAC｜1956｜>1,000｜第一台使用移動式磁頭硬碟進行輔助存儲的商用電腦。

Bendix G-15｜1956｜>400｜由Bendix生產用於科學和工業用途的小型電腦。總共有大約 450 個電子管（大部分是雙三極體）和 300個鍺二極體。

LGP-30｜1956｜~500｜Librascope 製造的桌面大小的電腦；位串行鼓機（bit-serial drum machine）僅包含 113 個電子管以及 1450 個二極體

Ferranti Pegasus｜1956｜38｜具有磁致伸縮延遲線存儲器的真空管電腦，適合辦公室使用。世界上現存第二古老的電腦。

RCA BIZMAC｜1956｜6｜包含 25,000 個電子管的RCA第一台商用電腦。

BESM-2｜1957｜>20｜蘇聯製造。BESM系列通用電腦。

IBM 610｜1957｜180｜小型電腦，供經驗有限的人使用。

SEA CAB 3000｜1957｜4｜採用 32 位串行邏輯和並行二進制乘法器設計，適用於科學和商業用途。

IBM 709｜1958｜45｜IBM 704的改進版本，其後繼者是程序兼容的電晶體電腦 IBM 7090 系列。

UNIVAC II｜1958｜UNIVAC I 的改進且完全兼容的版本。

UNIVAC 1105｜1958｜3｜UNIVAC 1103 科學電腦的後續產品。

AN/FSQ-7｜1958｜52｜有史以來最大的真空管電腦。為美國 SAGE 項目建造了 52 架。

ZEBRA｜1958｜55｜`在荷蘭設計，由{{製造。`

Burroughs 220｜1959｜~50｜Scientific/commercial computer, successor to ElectroData Datatron.