计算机的历史02-世界第一台计算机ENIAC诞生记

    前言：本文介绍了世界上第一台计算机ENIAC研发过程和用到的各种技术：如电子管技术，冯.诺依曼架构、爱迪生效应、瑞查森定律等。深入浅出，通俗易懂。

    恩格斯说过：“社会一旦有技术上的需要，比十所大学更能推动社会的进步。”

    电子计算机就是第二次世界大战的技术需要产生的结果。二战期间，美国为取得对德国的技术优势，从而尽快结束战争，美军决定设计和制造更有杀伤力的火炮，火炮的研究需要大量的计算，在前方战斗白热化的情况下，用计算尺和手摇计算机慢慢计算显然不符合战争的要求。

    美国陆军决定建造一个”超级大脑”来完成火炮开发的计算问题。这个任务最终辗转交给宾夕法尼亚大学的莫奇利博士(John Mauchly,1907-1980)和他的学生埃克特(John Eckert,1919-1995)来完成，给了在当时是一笔不菲的预算经费，50万美元。

    莫奇利和埃克特使用电子管实现数字开关电路，从而将计算机电子化，并将设备取名为：Electronic Numerial Integrator and Calculator（电子数值积分计算器）, 简称ENIAC。

    莫奇利负责设计，埃克特负责工程实现，他们用电子管实现开关电路，速度非常快，远优于传统机械计算机。

    在ENIAC建造启动一年后，正在研制氢弹的冯.诺依曼 听说了此项目，他也要解决计算问题，就参与到研制队伍中。

    1946 年 2 月，世界上第一台通用电子数字计算机 ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer) 即“电子数字积分计算机”在美国宾西法尼亚大学研制成功。

这是世界上公认的第一台 电子计算机。ENIAC 结构庞大，占地约 167m2，重达 27 吨，使用了 17468个电子管、7200个晶体二极管，耗电 150 KW，（导致有传言说，每当这台计算机启动的时候，费城的灯都变暗了）。IBM的卡片阅读器用于输入，打卡器用于输出。从 1946 年 2 月投入使用，到 1955 年 10 月最后切断电源。虽然它每秒只能进行 5000 次加、减法或 400 次乘法运算，但ENIAC用电子的快速运动代替了机械的运动，标志着电子计算机时代的到来，人类文明从此进入了一个崭新时代。

 

    但ENIAC有两个致命问题：

        1、 电子管稳定性差、发热功耗和体积大，还很容易损坏，平均几十分钟要坏一个，找坏掉的电子管又要花几个小时。

        2、每次运行一个计算程序都要花费大量时间重新改变电路。一道计算题目可能只需要几分钟或十几分钟，但重新连线可能要花几小时或几天时间。

    第一个问题产生的原因很大程度是因为让ENIAC进入电子时代的关键元器件-电子管。

    电子管的历史可追溯到 爱迪生。他在研究白炽灯的寿命时，在灯泡的碳丝附近焊上一小块金属片。结果发现了一个奇怪现象：金属片虽没有与灯丝接触，但如果在它们之间加上电压，灯丝就会产生一股电流，趋向附近的金属片。这股神秘的电流是从哪里来的？爱迪生也无法解释，但他不失时机地将这一发明注册了专利，并称之为“爱迪生效应”。

    一直到1901年，欧文·瑞查森提出：“从受热金属线放射出来的电子，其电流量与金属线的温度成指数关系。“，這就是瑞查森定律：

其中：s是饱和电流，A是与金属线有关的瑞查森常数，T是金属线的绝对温度，W是金属线的功函数，k是波茲曼常数。

    通过瑞查森定律，瑞查森获得了1928年的诺贝尔物理奖。

    

    基于“爱迪生效应“和瑞查森定律， 约翰·弗莱明在1904年发明了真空二极管。真空二极管就是利用灯丝对热电极进行加热，在接负电的情况下，热电极会激发电子到冷电极，实现单向电流传输，如果接正电，则不能形成电流，这就实现了真空二极管单向导电的特性。

    1906年，美国发明家李·德佛瑞斯特（De Forest Lee），在真空二极管的灯丝和板极之间巧妙地加了一个栅板，从而发明了第一只真空三极管。  真空三极管能够通过改变栅极的电压来，决定电子是否在三极管中流通，也就是能通过栅极电压确定三极管的开关问题，从而实现半导体的功能特性。

    电子管都有一个加热灯丝，需预热，额外的功耗很大。同时存在体积大，易破碎等问题。

还好电子管的存续时间不长，晶体管和集成电路迅速替换了电子管广泛应用于电子计算机中。

    我们再看ENIAC的第二个问题：通用性差。

在    ENIAC研制过程中冯.诺依曼就发现了ENIAC的设计，导致其无法进行其它计算的通用性问题，但设计已完成并开始建造，只能按照原来的设计做下去。

为了解决计算机不通用的问题，美国陆军决定按照冯.诺伊曼的想法再造一台新的计算机，这样冯.诺依曼、莫奇利和埃克特一起提出了一种全新的设计方案，通过计算机结构来解决计算机不通用的问题。此方案的计算机结构设计就是直至今天计算机都使用的--“冯.诺依曼系统结构（Von Neumann Architecture）”。

    冯.诺依曼系统结构是什么呢：简单来说就是一台自动的计算机应包括：算术/逻辑运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备，它是由程序来控制的。

    他们建造了的第一台基于冯.诺依曼系统结构的计算机，命名为电子离散变量自动计算机，简称EDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic Computer） ，EDVAC是真正的当今所有基于冯.诺依曼架构的计算机的鼻祖。

    它于1949年8月交付给弹道研究实验室，但直到1951年EDVAC才开始运行，延迟的原因是莫奇利和埃克特从宾夕法尼亚大学离职，组建了莫奇利-埃克特电子计算机公司并带走了大部分高级工程师。

    从此以后，冯.诺依曼系统结构就成为电子计算机的标准，让电子计算机走向辉煌。

    今天就先写到这里，下期我们继续了解电子计算机的发展史。