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计算机史话4--大型机与小型机
晶体管(transistor)是一种固体半导体器件,1947年12月由美国贝尔实验室的肖克利(William Bradford Shockley)、巴丁(John Bardeen)和布拉顿(Walter Brattain)组成的研究小组研制出来,当时是一种点接触型的锗晶体管,并于次年申请了专利。最初的晶体管性能很不稳定,后来在1950年研制成功结型晶体管,并逐渐采用温度特性更好且材料来源更普遍的硅。
晶体管使用的材料被称为半导体,其特别的性能最早是从研究一些硫化物时发现的,使用电子管的无线电发射机出现后,很多人使用一些天然的硫化物矿石(如方铅矿等)制作廉价的收音机,其实是使用了其与金属接触点的单向导电性作为检波器使用,这就是一种二极管,可以替代专用的真空二极管的作用。但要在这种半导体二极管上加上一个控制极得到具有放大作用的三极管,就花了很多时间去研究和实验,最终才取得成功。这种半导体材料制成的晶体三极管与真空三极管在很多特性上很相似,在大多数场合可以完成真空三极管的功能,而且体积小、重量轻、耗电少、速度快、耐振动且不用预热。随着晶体管在制造技术上的逐渐成熟,逐渐替代了大多数真空管,成为电子设备的核心器件。
1954年,美国贝尔实验室研制成功第一台使用晶体管的计算机TRADIC(TRAnsistor DIgital Computer ),为美国空军而建造。TRADIC使用了684个晶体三极管和1000多个锗点接触二极管,功率小于100瓦,可以安装到B-52轰炸机上。但其实,TRADIC使用了真空管产生30瓦的1MHz时钟信号,当时的晶体管还无法胜任这个工作。
其实,1年前,英国曼彻斯特大学的一个团队已经使用点接触型锗三极管设计完成了一种晶体管计算机,也是使用真空管产生时钟信号,后续还有一种型号CADET在1955年完成,使用了200个晶体管和1300个二极管,耗电150瓦,这是一台完全使用晶体管的计算机。后来陆续还有Muse、MU5、MU6等机型推出,直到1970年代。
1955年,IBM宣布了IBM 608晶体管计算机,实际上1957年才推出,其中使用了3000个点接触锗三极管,被认为是第一台商用的晶体管计算机,但很快就因为后续产品的推出而变得过时,所以只售出几十台就退出了市场。
1956年,麻省理工林肯实验室(Lincoln Laboratory)建造了TX-0(Transistorized Experimental computer zero),使用了3600个Philco公司研制生产的一种高频三极管。其实,Philco公司当时也有晶体管计算机产品,其他生产晶体管计算机的公司还有Burroughs、TRW(Ramo-Wooldridge)、NCR(National Cash Register)、Metropolitan-Vickers、Remington Rand、Argus、RCA等,多家公司挤入这个行业,从1956开始推出多种机型,抢占市场。以上公司基本都是美国公司,英国、奥地利、德国、日本等国也陆续有相应产品推出。1964年,中国的第一台全晶体管电子计算机441-B型在哈军工制成。
而IBM一直在电子管时代占有计算机市场的很大市场份额,到1958年才宣布不再生产使用真空管的计算机。但其1958年推出的IBM 7070晶体管计算机,则因与前面电子管机型的兼容性不好而市场反映冷淡,不得不很快推出全兼容的IBM 7080。IBM 7070的售价是81万美元,而每月租金是1.7万美元。1960年,IBM推出IBM 7090晶体管计算机,售价290万美元,租金每月6.3万。
IBM的这类计算机称为IBM 700/7000系列,其中700系列主要是电子管计算机,而7000为晶体管计算机,它们被称为大型机(Mainframe或large-scale),功能很强,但因为价格昂贵,主要是政府部门、军事机构、高校及研究机构和大型企业使用。其他公司的一些计算机,如UNIVAC等,也属于此类。
1959年,DEC(Digital Equipment Corporation)推出PDP-1 (Programmed Data Processor-1)晶体管计算机,基于TX-0架构,使用2700个三极管,售价12万美元,后来又陆续推出PDP-2到PDP-16等机型,因为体积小巧,被称为小型机(minicomputers),实际上是一种商业推广用语。PDP系列计算机,大多为12到18位字长,使用精简指令集(tiny instruction set),存储器等配置相对较低,当然也就有比较低廉的价格来冲击市场,比较成功的商业机型有PDP-8、PDP-11等,贝尔实验室在PDP-7上还开发出Unix操作系统。在1970年,纽约时报通过调查,把售价在2.5万美元以下的具有输入输出设备、至少4K字内存并能使用Fortran或Basic这种高级语言编程的计算机作为小型机。其实,PDP-6及PDP-10,是采用了36位字长的计算机,其运算能力甚至不比IBM的360/370系列性能差,也应算作Mainframe。
为了应对DEC公司的小型机对计算机市场的冲击,1965年,IBM推出IBM System/360系列,从Model 30到70,覆盖小型机到大型机,后来又扩展到20、90等系列。1970年,IBM又推出IBM System/370,包括model 115到165等,提高性能。而DEC公司则推出32位字长的VAX系列。到1980年代初,IBM在大型机市场占有60%以上的市场份额,但在整个计算机市场中只占32%,而且公司股价下降22%,增长率不到DEC公司的1/6。
自从1958年,德州仪器TI与仙童Fairchild公司先后研制出集成电路(integrated circuit,IC),然后IC技术就快速发展起来。所谓IC,就是采用一定的工艺技术把一个电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件及布线互连在一起,制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上,然后封装在一个管壳内。2000年获得诺贝尔奖的基尔比(Jack Kilby)设计的IC只包含锗晶体管在内的五个元件,而现在的Intel酷睿i7则包含了近10亿个晶体管。虽然基尔比获得诺贝尔奖,但他的设计是使用锗的,而且电路是用导线连接,而后来的大批量生产的集成电路大多数是使用硅,而Fairchild公司的诺伊斯(Robert Norton Noyce)是硅集成电路设计及薄膜沉积形成连线等制造工艺的发明人,但很遗憾,他在1990年去世。我们在家用电器中看到的集成电路主要是外壳部分(一般称为封装)的大小,实际内部的芯片面积都要小很多,是为了引线及为了方便安装才使体积变得比较大。
集成电路快速发展起来以后,电路体积越来越小,集成度越来越高,价格也越来越低,在计算机领域主要使用在运算单元及存储器方面,而一直非常昂贵的存储器更是主要的发展方向,最初的很多半导体公司都是依靠制造存储器起家的。
最初的电子计算机,像ENIAC需要通过改变接线来更改程序,后来冯·诺依曼提出存储程序的设计思想,后来的很多计算机都开始使用内部存储器来存储程序及一些数据,简称内存。早期的计算机,像EDSAC、EDVAC使用的都是延迟线作为存储器,容量分别是1024x18bit和1000x44bit;而IAS计算机使用了40个存储真空管(Williams tubes),容量1024x40bit;而售价达290万的晶体管计算机IBM7090内存是32Kx36bit(相当于144K字节),使用磁芯存储器。磁芯,其实就是一种使用磁性材料制作的磁环,上面绕着导线,可以通过导线上电流来改变磁芯的磁性,分别表示0和1,但每个bit就要使用一个,像144K字节的内存,就要使用100多万个磁芯,加上控制及读取电路,体积很庞大,价格也很贵,改变状态(即写数据)的速度也比较慢,而且也很难实现更大的内存容量,成为计算机发展的一个瓶颈。
1964年, IBM的Arnold Farber和Eugene Schlig设计了使用2个三极管和两个电阻组成的Farber-Schlig cell,可以存储1个位。1965年,Benjamin Agusta的团队在IBM设计了使用这种结构的有16bit的存储芯片,包含80个晶体管和64个电阻。1968年,在IBM供职的Robert H. Dennard研制出动态的随机存取存储器(DRAM),只使用一个三极管就能存储1个位,使内存容量可以得到大幅提升。通过技术的发展,1位的内存成本从1美元下降到1美分。
1969年,Honeywell公司要求Intel公司协助制造使用3个晶体管结构的DRAM芯片,这就是Intel 1102,后来发展出商业化的Intel 1103,容量为1024bit,并因此获得上千万美元的营业额。1973年,Mostek公司设计出MK4096,具有地址线,容量4kbit;1976年,Mostek推出16kbit的MK4116,并以此占用当时DRAM市场份额的75%。但到1980年代后,美国的DRAM芯片厂被日本厂商超越,失去了市场份额。而Intel、Mostek则转向其他芯片而开创出一个新的世界。

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