真空管电脑

<image>

<image>

真空管电脑，现在称为第一代电脑，是一种使用真空管作为逻辑电路的电脑。尽管真空管电脑被第二代晶体管电脑所取代，但真空管电脑在 20 世纪 60 年代仍在继续生产。这些电脑最初是独一无二的设计，但在 20 世纪 50 年代推出了商业型号，并售出多台，数量从个位数到数千台不等。

## 发展

Eccles 和 Jordan在1918年描述了使用交叉耦合真空管放大器产生脉冲序列的方法。该电路成为正反器的基础，其后电子二进制数字电脑以正反器作为基本元件。

阿塔那索夫贝理电脑的原型于 1939 年首次展示，现在被认为是第一台真空管电脑。其只能解线性方程组，因此不算通用电脑，而且可靠性也不高。

<image>

第二次世界大战期间，诸如Colossus之类专用真空管数字电脑被用来破译Fish 密码（德国机器密码）。其破译的军事情报，对于盟军的战况起关键作用。战争结束前，布莱切利园中有10 架Mark II COLOSSI用于情报用途，每部COLOSSI都搭载了1,600 个Mark I真空管和 2,400 个Mark II真空管，用于以取代希思·罗宾逊（密码破译机）。布莱切利园的密码破译任务一直被保密至1970年代。

同一时期，康拉德·楚泽正在研发机电结构的二进制电脑，但彼时德国没有优先选择开发电脑。1942年制造了一个由大约100个电子管组成的实验性电子电路，但在一次空袭中被毁。

美国在第二次世界大战后期开始ENIAC电脑的研究工作，并于 1945 年完成。虽然ENIAC最初的研发目的是开发氢弹，但推动其发展的用途是生产火炮发射台。ENIAC 最初是使用插板和开关而不是电子存储程序进行编程的。战后一系列的ENIAC设计公开讲座，以及冯·诺依曼关于ENIAC“可预见的后继者”的报告（EDVAC报告书的第一份草案）广泛传播，对战后真空管的设计产生了影响。

Ferranti Mark 1 (1951) 被认为是第一台商用真空管电脑。第一批批量生产的电脑是Bull Gamma 3 （1952 年，1200 台）和IBM 650 （1954 年，2000 台）。

## 设计

真空管技术需要大量电力。ENIAC电脑（1946 年）搭载超过 17,000个电子管，并且平均每两天发生一次电子管故障（每次需要15分钟定位故障原）。ENIAC运行时消耗 150千瓦功率，其中加热管使用80千瓦，直流电源45千瓦，鼓风机20千瓦，穿孔卡辅助设备5千瓦。

<image>

由于电脑中数千个电子管中任何一个发生故障都可能导致错误，因此电子管的可靠性非常重要。专为电脑而制造的高品质晶体管，其材料要求、检验和测试标准高于标准晶体管。

一种在模拟数字运算电路中很少出现的效应是阴极中毒。在没有板电流的情况下长时间运行的真空管会在阴极上形成高电阻层，而降低增益。电脑显像管需要专门选择材料以降低影响。为了避免加温导致因产生机械应力而断裂，通常加热器会慢慢地提升至全工作电压，时间可能达一分钟以上。在机器待机期间，加热器电源可在保持打开状态的同时关闭电源。而电脑的子系统中内置“边缘测试”；通过测试是否正常运行，此测试可以检测到存在故障风险的组件。为了提高了电源电压的稳定性和调节性，其由发电机组供电。

真空管电脑的构造使用了两种主要类型的逻辑电路。“异步”或直接直流耦合类型仅使用电阻器来连接逻辑门之间以及门本身内部。逻辑电平由两个相距很远的电压表示。在“同步”或“动态脉冲”逻辑类型中，每个级都通过脉冲网络（例如变压器或电容器）耦合。每个逻辑元件都施加了“时钟”脉冲。逻辑状态由每个时钟间隔期间脉冲的存在或不存在来表示。异步设计可能运行得更快，但需要更多电路来防止逻辑“竞争”，因为不同的逻辑路径从输入到稳定输出的传播时间不同。同步系统避免了这个问题，但需要额外的电路来分配时钟信号，该信号对于机器的每个阶段可能有多个相位。直接耦合逻辑级对元件值漂移或小泄漏电流有些敏感，但操作的二进制性质为电路提供了相当大的余量，以防止漂移引起的故障。“脉冲”（同步）计算的一个例子是 MIT Whirlwind。IAS 电脑（ILLIAC等）使用异步、直接耦合逻辑级。

电子管电脑主要使用三极管和五极管作为开关和放大元件。至少有一个专门设计的门管具有两个特性相似的控制栅极，这使得它可以直接实现一个双输入与门。有时会使用闸流管，例如用于驱动 I/O 设备或简化锁存器和保持寄存器的设计。真空管电脑通常广泛使用固态（“晶体”）二极管来执行“与”和“或”逻辑功能，并且仅使用真空管来放大级之间的信号或构建触发器、计数器和寄存器等元件。固态二极管减小了整机的尺寸和功耗。

## 内存技术

早期系统在采用磁芯存储器之前使用了已经多种存储器技术。1942 年的阿塔纳索夫-贝里电脑将数值以二进制数的形式存储在旋转的机械鼓中，并有一个特殊的电路在每次旋转时刷新这种“动态”存储器。战时的ENIAC所使用的真空管寄存器太昂贵，因此只可以存储20个数字。在开发出一种实惠的存储器之前，预存程序的电脑遥不可及。

1944 年，约翰·皮斯普·埃克特曾使用延迟线存储器进行雷达信号处理，因此提议在下一代电脑中使用水银延迟线存储器。而莫里斯·威尔克斯于1947年制造了搭载延迟线存储器，可以存储32个17位元字符的EDSAC电脑。由于延迟线存储器本质上是串行的，因此机器逻辑也是位串行的。埃克特和约翰·莫奇利在 1951 年制造的UNIVAC I中也使用了该技术，并于 1953 年申请了延迟线存储器专利。延迟线中的比特以声波的形式存储在介质中，以恒定的速率传播。UNIVAC I使用了七个存储单元，每个存储单元包含 18条汞柱，每条汞柱可以存储120位元。形成可以储存1,000 个 12 字符单词的内存，平均访问时间为 300 微秒。

<image>

威廉姆斯管是第一个真正的随机存取存储设备。威廉姆斯管在阴极射线管上显示网格点，在每个点上产生少量静电。每个点位置的电荷由显示器前面的薄金属片读取。Frederic Calland Williams和Tom Kilburn于 1946 年为威廉姆斯管申请了专利。威廉姆斯管读写速度比延迟线快，可靠性问题不足。UNIVAC 1103搭载了36个威廉姆斯管，容量为1,024位，总随机存取存储器为1,024个36 比特字符。IBM 701上威廉姆斯管存储器的读写延迟为30微秒。

1932年，奥地利的Gustav Tauschek发明磁鼓存储器。鼓由涂有铁磁记录材料的大型快速旋转金属圆筒组成。大多数鼓沿着鼓的长轴为每个磁道具有一排或多排固定读写头。鼓控制器选择所需的磁头，鼓转动时数据会出现在磁头下方。IBM 650 的鼓存储器可存储 1,000 至 4,000 个 10位元字符，平均读写延迟为 2.5 毫秒。

<image>

磁芯存储器于 1951 年由A Wang申请专利。核心采用微小的磁环核心，通过导线穿过磁环来写入和读取信息。每个核心代表一位信息。磁芯可以以两种不同的方式磁化（顺时针或逆时针），磁芯中存储的位为零或一，具体取决于该磁芯的磁化方向。这些导线允许将单个磁芯设置为 1 或 0，并通过通过选定的导线发送适当的电流脉冲来改变其磁化强度。核心内存除了更高的可靠性之外，还提供随机访问和更高的速度。它很快就被应用于 MIT/IBM Whirlwind等电脑中，其中安装了最初的 1,024 个 16 位字内存，取代了威廉姆斯电子管。同样， UNIVAC 1103于 1956 年升级为 1103A，核心内存取代了 Williams 电子管。1103 上使用的核心内存的访问时间为 10 微秒。

## 电脑工业的起步

20 世纪 50 年代，电子电脑从一个研究项目发展成为一种商业产品，具有通用的设计和多个副本，从而开始了一个重要的新产业。早期的商用机器使用真空管和各种存储技术，到本世纪末集中在磁芯上。

许多早期的商用机器继承了一次性机器的基础，专为科学、工程和军事目的所需的快速数学计算而设计。但有些是为现有的大型打孔卡生态系统产生的数据处理工作负载而设计的。IBM 特别将其电脑分为科学和商业系列，它们共享电子技术和外围设备，但指令集架构和软件完全不兼容。这种做法一直延续到第二代（晶体管化）机器中，直到由IBM System/360项目重新统一。请参阅IBM 700/7000 系列

以下是这些第一代商用计算机的列表。

Computer｜Date｜Units｜Notes

IBM 604｜1948｜5600｜第一个可以与单位记录设备一起使用的全电子计算器。可以对打孔卡中的数据进行乘法和除法运算，有1250个电子管。

IBM CPC｜1949｜700｜将 IBM 604 与其他单元记录机相结合，执行由一副打孔卡上的指令定义的一系列计算。

Ferranti Mark 1｜1951｜9｜第一台基于曼彻斯特一型的商用存储程序计算机。

UNIVAC I｜1951｜46｜第一台量产的预存程式的计算机，使用延迟线存储器。

LEO I｜1951｜1｜第一台用于商业应用的电脑，其基于EDSAC设计。由 J. Lyons and Co，一家餐厅和面包连锁店制造和使用。

IBM 701｜1952｜19｜由IBM制造，也昵称为防御计算器（Defense Calculator）。架构基于IAS电脑，具有威廉士管储存器。IBM 的负责人本来计划销量5台，但在第一次销售中就收到了18台的订单。该电脑为IBM 700/7000系列中的第一台机器。

Bull Gamma 3｜1952｜~1,200｜由布尔电脑制造，是最早批量生产的电子数字电脑之一，最初设计用于补充打孔卡机。

IBM 702｜1953｜14｜与 701的技术类似，但专为商业计算而设计。

Strela computer｜1953｜7｜苏联制造

Datatron｜1954｜~120｜由ElectroData Corporation制造的科学/商业电脑。

IBM 650｜1954｜~2,000｜第一台破千销量的电脑，使用10 位十进制字的磁鼓内存。

IBM 704｜1954｜123｜第一台批量生产的带有浮点运算硬件的科学电脑。采用磁芯内存和36位二进制字。

IBM 705｜1954｜160｜主要与IBM 702兼容，适合商业用途。慕尼黑电脑博物馆内有一台已不能运行的样本。

SEA CAB 2000｜1955｜4｜SEA 的第一台商用电脑。具有二极管逻辑以及核心和磁鼓内存的 22 位串行电脑。

UNIVAC 1102｜1954｜3｜为美国空军制造的UNIVAC 1101的变体。

Zuse Z22｜1955｜55｜早期的商用电脑。

IBM 305 RAMAC｜1956｜>1,000｜第一台使用移动式磁头硬盘进行辅助存储的商用电脑。

Bendix G-15｜1956｜>400｜由Bendix生产用于科学和工业用途的小型电脑。总共有大约 450 个电子管（大部分是双三极管）和 300个锗二极管。

LGP-30｜1956｜~500｜Librascope 制造的桌面大小的电脑；位串行鼓机（bit-serial drum machine）仅包含 113 个电子管以及 1450 个二极管

Ferranti Pegasus｜1956｜38｜具有磁致伸缩延迟线存储器的真空管电脑，适合办公室使用。世界上现存第二古老的电脑。

RCA BIZMAC｜1956｜6｜包含 25,000 个电子管的RCA第一台商用电脑。

BESM-2｜1957｜>20｜苏联制造。BESM系列通用电脑。

IBM 610｜1957｜180｜小型电脑，供经验有限的人使用。

SEA CAB 3000｜1957｜4｜采用 32 位串行逻辑和并行二进制乘法器设计，适用于科学和商业用途。

IBM 709｜1958｜45｜IBM 704的改进版本，其后继者是程序兼容的晶体管电脑 IBM 7090 系列。

UNIVAC II｜1958｜UNIVAC I 的改进且完全兼容的版本。

UNIVAC 1105｜1958｜3｜UNIVAC 1103 科学电脑的后续产品。

AN/FSQ-7｜1958｜52｜有史以来最大的真空管电脑。为美国 SAGE 项目建造了 52 架。

ZEBRA｜1958｜55｜`在荷蘭設計，由{{製造。`

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