二、電子計算機

一、電子計算機誕生的背景

20 世紀初，早期計算設備都針對特定用途( 好比 製表機)，大大推動了政府和企業。然而人類社會的規模 在之前所未有的速度增加，20世紀上半葉，世界人口幾乎翻倍，全球貿易和運輸更加緊密，工程和科學的複雜度也達到新高，這些都致使數據量暴增，人們須要更多自動化 更強的計算能力。很快，櫃子大小的計算機變成房間大小。

二、繼電器

最大的機電計算機之一： 哈佛馬克一號（Harvard Mark I）

背景：
哈佛馬克一號由IBM 在 1944 完成建造，它有76萬5千個組件，300萬個鏈接點和500英里長的導線，爲了保持內部機械裝置同步，它有一個50英尺的傳動軸，由一個 5 馬力的電機驅動。這臺機器是給二戰同盟國建造的，最先的用途之一 是給"曼哈頓計劃"跑模擬。這臺機器的大腦是"繼電器"。

原理：
繼電器是用電控制的機械開關。繼電器裏有根"控制線路"，控制電路是開仍是關。"控制線路" 連着一個線圈，當電流流過線圈，線圈產生電磁場，吸引金屬臂，從而閉合電路。

能夠把繼電器 想成水龍頭，把控制線路 想成水龍頭把，打開水龍頭，水會流出來，關閉水龍頭，水就沒有了。
繼電器是同樣的，只不過控制的是電子而不是水。
這個控制電路能夠連到其餘電路，好比馬達，馬達讓計數齒輪 +1，就像Hollerith 的製表機同樣。

不足：

• 速度慢；繼電器內的機械臂 有質量，所以沒法快速開關。

  哈佛馬克一號，1 秒能作 3 次加法或減法運算，一次乘法要花 6 秒，除法要花 15秒。
  更復雜的操做 好比三角函數，可能要一分鐘以上。

• 齒輪磨損；任何會動的機械都會隨時間磨損，有些部件會徹底損壞，有些則是變黏，變慢，變得不可靠。而且隨着繼電器數量增長，故障機率也會增長。

  哈佛馬克一號有大約 3500 個繼電器，哪怕假設繼電器的使用壽命是 10年，也意味着平均天天得換一個故障繼電器！
  這個問題很嚴重，由於有些重要運算要運行好幾天，

• 這些巨大，黑色，溫暖的機器也會吸引昆蟲。1947年9月，哈佛馬克2型的操做員從故障繼電器中，拔出一隻死蟲。

  小知識補充：
  Grace Hopper曾說："從那時起，每當電腦出了問題，咱們就說它出了 bug（蟲子）"。
  這就是術語 "bug" 的來源。

三、熱電子管--真空管

背景：
若是想進一步提升計算能力，咱們須要更快更可靠的東西，來替代繼電器。在 1904 年，英國物理學家 "約翰·安布羅斯·弗萊明"開發了一種新的電子組件，叫"熱電子管"。

原理：
把兩個電極裝在一個氣密的玻璃燈泡裏（這是世上第一個真空管）。其中一個電極能夠加熱，從而發射電子（這叫 "熱電子發射"），另外一個電極會吸引電子，造成"電龍頭"的電流。但只有帶正電才行，若是帶負電荷或中性電荷，電子就沒辦法被吸引，越過真空區域，所以沒有電流。電流只能單向流動的電子部件叫 "二極管"。
但咱們須要的是，一個能開關電流的東西。不久以後在 1906 年，美國發明家 "李·德富雷斯特"，他在"弗萊明"設計的兩個電極之間，加入了第三個 "控制" 電極，向"控制"電極施加正電荷，它會容許電子流動，但若是施加負電荷，它會阻止電子流動。所以經過控制線路，能夠斷開或閉合電路，和繼電器的功能同樣。

優點：

• 真空管內沒有會動的組件，更少的磨損
• 每秒能夠開閉數千次，所以這些"三極真空管"成爲了無線電，長途電話，以及其餘電子設備的基礎，持續了接近半個世紀。
• 這標誌着計算機 從機電轉向電子。

不足：

• 真空管有點脆弱，而且像燈泡同樣會燒壞。
• 起初，真空管很是昂貴，收音機通常只用一個，但計算機可能要上百甚至上千個電氣開關，但到了 1940
  年代，它的成本和可靠性獲得改進，能夠用在計算機裏。至少有錢人負擔得起，好比政府。

應用：
第一個大規模使用真空管的計算機是 "巨人1號"，放在英國的"布萊切利園", 用於破解納粹通訊。

小知識補充：
巨人1號：
由工程師 Tommy Flowers 設計，完工於1943年12月。有 1600 個真空管。
被認爲是第一個可編程的電子計算機。編程的方法是把幾百根電線插入插板，有點像老電話交換機。
特色：雖然"可編程" ，但仍是要配置它。

小知識補充：
電子數值積分計算機 "ENIAC"：
設計者是 John Mauchly 和 J. Presper Eckert。1946 年，在"賓夕法尼亞大學"完成建造。
這是世上第一個真正的通用，可編程，電子計算機。每秒可執行 5000 次十位數加減法，比前輩快了不少倍，它運做了十年。
由於真空管不少，因此故障很常見，ENIAC 運行半天左右就會出一次故障。

四、晶體管

背景：
到 1950 年代，真空管計算機都達到了極限。爲了下降成本和大小，同時提升可靠性和速度，須要一種新的電子開關。
1947 年，貝爾實驗室科學家 John Bardeen，Walter Brattain，William Shockley發明了晶體管。一個全新的計算機時代誕生了！

原理：
晶體管 就像以前提過的"繼電器"或"真空管"，它是一個開關，能夠用控制線路來控制開或關。
晶體管有兩個電極，電極之間有一種材料隔開它們，這種材料有時候導電，有時候不導電， 這叫"半導體"。控制線連到一個 "門" 電極，經過改變 "門" 的電荷，能夠控制半導體材料的導電性，來容許或不容許 電流流動。

優點：

• 快。貝爾實驗室的第一個晶體管每秒就能夠開關 10,000 次。
• 體積小，不易磨損。比起玻璃製成，當心易碎的真空管，晶體管是固態的，晶體管能夠遠遠小於繼電器或真空管

應用：
更小更便宜的計算機的誕生，好比1957年發佈的IBM 608， 第一個徹底用晶體管，並且消費者也能夠買到的計算機，它有3000 個晶體管，每秒執行 4500 次加法，每秒能執行 80 次左右的乘除法。

現在，計算機裏的晶體管小於 50 納米，而一張紙的厚度大概是 10 萬納米，晶體管不只小，還超級快，每秒能夠切換上百萬次，而且能工做幾十年。

小知識補充：
不少晶體管和半導體的開發在"聖克拉拉谷"，這個地方在加州，位於"舊金山"和"聖荷西"之間，而生產半導體最多見的材料是 "硅"，因此這個地區被稱爲 "硅谷"。
William Shockley 搬到硅谷，創立了"肖克利半導體"，裏面的員工後來成立了"仙童半導體"。這裏面的員工後來創立了英特爾 - 當今世界上最大的計算機芯片製造商。