09.05 芯片戰爭-25：硅週期的力量，從真空管大型機到晶體管大型機

芯片戰爭-25：硅週期的力量，從真空管大型機到晶體管大型機

科技真相 科技紅利及方向型資產研究

中國半導體產業的思考—隨筆之《芯片戰爭——亮劍！國運之戰》

芯片戰爭25—硅週期的力量，從真空管大型機到晶體管大型機

（黎明之前，1950-1959年）

從真空管計算機到全晶體管計算機的發展歷程；1954年全球第一臺全晶體管計算機TRADIC，服務美國空軍，使用700個晶體管和1萬個鍺二極管，每秒可執行1百萬次邏輯操作，功率僅100瓦。1964年哈軍工441-B是新中國第一臺晶體管計算機。

第二章 黎明之前

第十一節：硅週期的力量，從真空管大型機到晶體管大型機

1954年，貝爾實驗室大型計算機TRADIC誕生，這正式標誌著全球第一臺全半導體晶體管化大型計算機誕生了。

這一時期，半導體晶體管技術逐步應用於大型計算機並取代電子真空管的研製過程中，從部分晶體管計算機，到晶體管計算機的原型機，再到全晶體管計算機正式誕生，最後到全面普及全晶體管化計算機，這一過程從上世紀50年代到60年代，不超過十年時間，新生的半導體晶體管技術非常快速、直觀的展現了其功耗低、體積小等優秀特徵以及強大的技術生命力。

從電子真空管大型機到半導體晶體管大型機的發展歷程，是全球半導體硅含量提升週期之歷史性的大趨勢。

早在1950年4月，美國國家標準局，採用了拉塞爾.科爾西（Russell A Kirsch）發明的

東方自動計算機（Eastern Automatic Computer，SEAC），其中採用了10500個半導體鍺二極管和747個電子真空管。這臺計算機是全球第一臺可編程的計算機，開始部分採用了半導體晶體管技術。

圖：美國國家標準局採用的部分晶體管計算機—SEAC

除了SEAC外，拉塞爾.科爾西（Russell A Kirsch）還有一個很重要的發明，那就是在1957年發明了今天廣泛使用的掃描儀。

1953年11月16號，曼徹斯特大學的TomKilburn、Richard Grimsdale和Douglas Webb等人與大都會維克斯（Metropolitan-Vickers）公司，共同成功研製了一臺晶體管計算機的原型機，這是一臺48位的大型計算，採用了92個點接觸式晶體管和550個二極管，這是全球第一臺全晶體管計算機的原型機——Manchester TC。

MetropolitanVickers Electrical Company（大都會維克斯電氣公司），這家英國重型電氣工程和設備製造商大都會維克斯電氣公司，也稱為Metrovick，於1919年從西屋公司的一個子公司獨立出來的。

1945年後，該公司擴展到電子系統領域，與曼徹斯特大學的進行技術合作，該公司生產了第一批過渡商業計算機。大都會維克斯電氣公司電子計算機部門，今天屬於Marconi公司的一部分。

圖：第一臺晶體管計算機的原型機——Manchester TC

Manchester TC由STC公司進行製造，並裝備於國際電話電報公司（ITT）在英國的國際長途電話中繼線設備中。

RichardGrimsdale（理查德.格里姆斯代爾），1929年9月18日至2005年12月6號。

理查德.格里姆斯代爾出生於澳大利亞，父母是英國人，他在英國曼徹斯特大學獲得電子工程學士和博士學位。他在劍橋大學EDSAC機器上學習了計算機編程，並回到曼徹斯特。

1953年，他與道格拉斯.韋伯（DouglasWebb）一起開發了第一臺晶體管計算機。後來，他與大都會維克斯（Metropolitan-Vickers）的工程師合作建造了全球第一臺商用化的晶體管計算機MV950計算機，並在20世紀70年代加入了一家後繼公司—聯合電氣工業公司，從事自動化系統的工作。

從1967年起到退休，格里姆斯代爾一直在蘇塞克斯大學擔任電氣工程教授。

DouglasWebb（道格拉斯.韋伯），道格拉斯.C.韋伯1929年出生於加拿大，1954年在英國曼徹斯特大學獲得電氣工程碩士學位。1953年底，他與理查德.格里姆斯代爾合作建造了一個曼徹斯特馬克1號的計算機的版本，這被認為是第一臺基於晶體管的操作機器。

1962年，他搬到馬薩諸塞州的福爾茅斯，加入伍茲霍爾海洋研究所。1982年，韋伯從世界衛生組織退休，成為高級研究專家，成立了韋伯研究公司（WRC），開發用於海洋研究的專用儀器。

1954年，貝爾實驗室，成功開發了第一臺全晶體管化的計算機TRADIC，這臺設備主要為美國空軍服務，使用了大約700個晶體管和1萬個鍺二極管，每秒鐘可以執行1百萬次邏輯操作，功率僅為100瓦。

圖：貝爾實驗室開發的第一臺全晶體管化計算機—TRADIC，採用了700個晶體管和1萬個鍺二極管

TRADIC，全名為晶體管電子計算機(TransitorDigital Computer，TRADIC)，這是真正意義上的全晶體管化計算機，由貝爾實驗室的吉恩.費爾克（Jean H. Felker）和JamesR. Harris等人設計製造的。

隨後，美國軍方採用了其結型晶體管的簡化版（飛行版本TRADIC），以取代了C-131飛機導航和轟炸控制的模擬計算機。

JeanH. Felker（吉恩.費爾克），1919年3月14日至1994年2月27日。

吉恩.費爾克生於美國伊利諾伊州Centralia，1941年獲得美國密歇根州聖路易斯華盛頓大學的理學士學位。

1942年，第二次世界大戰期間，他受命加入美國海軍，後來在英國學習雷達技術，並在新澤西州蒙茅斯堡服役，直到1945年戰爭結束。

戰爭結束後，他加入了新澤西州惠普潘尼（Whippany）的貝爾實驗室的軍事系統實驗室。1950年，他向美國軍方遊說和演示了使用點接觸晶體管的計算機邏輯電路，這促使了美國空軍簽訂了建造TRADIC的合同，TRADIC是美國第一臺晶體管化計算機。

計算機歷史博物館曾經這麼評價吉恩.費爾克：

Jean H.Felker領導的貝爾實驗室團隊包括工程師JamesR.Harris，他於1954年為美國空軍設計和建造了一臺全晶體管計算機，名為TRADIC（TransistorDigital.）。包括大約700個點接觸晶體管和10000多個二極管，原型機工作在1兆赫，同時需要不到100瓦的電力。使用結型晶體管的輕型機載版本（Flyable TRADIC）取代了用於C-131飛機導航和轟炸控制的模擬計算機。

上個世紀60年代，吉恩.費爾克領導並參與於美國NASA的通訊衛星Telstar的研製工作。

美國國家航空航天局曾經評價到，“很難高估Telstar帶來的革命的實踐重要性以及它體現文化時代精神的方式”。Telstar通訊衛星，被吉恩.費爾克稱之為“太空中的小洋蔥”。

美國國家航空航天局網站進一步的介紹：

雖然只運行了幾個月，並轉播了短暫的電視信號，Telstar立即get到了全世界的想象。第一張照片，約翰.F.肯尼迪總統和法國歌手伊夫.蒙特德的照片，還有體育賽事的剪輯，在微風中飄揚的美國國旗的照片，還有拉什莫爾山的靜止照片，都是今天人們認為理所當然的全球交流的先驅。

圖：Jean H. Felker（吉恩.費爾克）手裡拿著被稱之為“太空中的小洋蔥”—Telstar的模型

1981年退休前，吉恩.費爾克曾任新澤西貝爾電話公司運營副總裁、貝爾實驗室軟件和處理器技術副總裁。

JamesR. Harris（詹姆斯.哈里斯），1954年，工程師詹姆斯.R.哈里斯與J.H.費爾克在新澤西惠普潘尼合作設計和建造貝爾實驗室第一臺晶體管計算機TRADIC。

在項目中，哈里斯主要負責可靠性測試和認證，他為開發可靠性方面的工作作出了重要貢獻，這些可靠性的測試信息使美國軍方確信這種新技術（晶體管計算機）可以滿足他們苛刻的應用環境。

圖：James R. Harris（詹姆斯.哈里斯）

1983年，詹姆斯.哈里斯從貝爾實驗室退休。

數十年後，哈里斯（Harris）為IEEE計算機史撰寫一篇回憶錄，在回憶錄中他描述了TRADIC項目的開發歷程和其他相關經驗，這篇回憶錄的報告以《最早的固態數字計算機》為標題，刊登在《IEEE計算史年鑑》第21卷第4期（1999年10月-12月）第49-54頁。

1955年，美國在阿塔拉斯洲際導彈上裝備了以晶體管為主要元件的小型計算機。10年以後，在美國生產的同一種型號的導彈中，由於改用集成電路元件，重量只有原來的1/100，體積與功耗減少到原來的1/300。

1956年4月，美國麻省理工學院，林肯實驗室的高級發展小組，William Papian帶領團隊建設了一臺5Mhz的通用數字計算機，採用了PHILCO公司生產的高速鍺開關晶體管，這臺計算機又稱之為TX-0，也即是晶體管計算機的實驗性型號。

1955年，IBM公司成功開發了包含2000個晶體管的商用計算機，這是IBM公司第一次將半導體晶體管技術引入到自家的商業計算機中。

圖：IBM公司RAMAC超級計算機—IBM305，第一臺帶有硬盤的計算機

1956年9月13日，IBM公司推出了RAMAC超級計算機，RAMAC其字母代表“計算和控制的隨機訪問方法”。這臺計算機是全球第一臺帶有硬盤驅動器的超級計算機——IBM305型號。

圖：IBM公司RAMAC超級計算機—IBM305所配置的硬盤1

305型RAMAC是IBM最新的部分晶體管化計算機之一，一共累計生產了1000多臺。

存儲堆棧：1956年IBM公司的305隨機存取存儲器記帳系統（RAMAC）推出了世界上第一個硬盤驅動器。它有50個60釐米的磁盤以每分鐘1200轉的速度旋轉，可以容納500萬個字符的信息，相當於62500張穿孔卡片。外形上，讓人想起自動點唱機，這個驅動器有一個氣動的“訪問機制”，可以選擇一個特定的磁盤，以每釐米40比特的速度進行錄製。到1958年，IBM為每個系統中的額外存儲提供了第二個磁盤堆棧，並配備了一對訪問臂。

圖：IBM公司RAMAC超級計算機—IBM305所配置的硬盤2

隨後，小沃森向各地IBM工廠和實驗室發出指令：“從1956年10月1日起，我們將不再設計使用電子管的機器，所有的計算機和打卡機都要實現晶體管化。”

1958年，美國的IBM公司製成了第一臺全部使用晶體管的計算機RCA501型。由於第二代計算機採用晶體管邏輯元件，及快速磁芯存儲器，計算速度從每秒幾千次提高到幾十萬次，主存儲器的存貯量，從幾千提高到10萬以上。

1959年，IBM公司又生產出全部晶體管化的電子計算機IBM7090。

1961年，世界上最大的晶體管電子計算機ATLAS安裝完畢。

這一時期，中國人康鵬和新中國的第一臺晶體管計算機——哈軍工的441-B型，於1964年發明。

哈軍工的“441-B”是新中國第一臺晶體管計算機，也是中國首次自主創新且實現工業化批量生產的計算機，它應用在“兩彈一星”、殲六、海軍、空軍、二炮，以及中國電信、大慶油田，以生產100餘臺的數量創造了當時的全國第一。

而當時仍在哈軍工的康鵬發明的“隔離阻塞一推拉觸發器電路”是441-B型的核心部分，後被稱為“康鵬電路”。

圖：康鵬發明的“隔離阻塞一推拉觸發器電路”，圖1

441-B機總共有三個型號，441-BI是考核鑑定的第一臺計算機。441-BII，培訓班仿製11臺，天津電子儀器廠接產30多臺。441-BIII，四海廠生產3臺，天津電子儀器廠生產50臺；還有441-D，天津電子儀器廠生產4臺，441-C（數字高炮指揮儀）數臺。

圖：康鵬發明的“隔離阻塞一推拉觸發器電路”，圖2

441-B計算機應用在“兩彈一星”、海軍、空軍、二炮和國防院校。早在1964年9月29日，國防科委就批覆西安軍事電訊學院、北京工業學院、上海交通大學、成都電訊工程學院、西北工業大學和三機部六院一所（601所）、六機部七院六所（706所）等七單位複製441-B晶體管計算機。1965年3月1日至4月17日，國防科委在哈軍工舉辦計算機培訓班。

圖：中國第一臺晶體管計算機——哈軍工的“441-B”

1965年4月，國防科委再次指示哈軍工複製三臺441-B晶體管計算機，供三個試驗基地的緊急需要。當年底，第一臺計算機運往核試驗基地；1966年10月，第二臺機器運往20基地；11月，第三臺機器運往兵器試驗基地，三臺機器都發揮了重要作用。

另外，海軍葫蘆島試驗基地的441-B機則是上海交通大學仿製的，1967年8月運行。這臺計算機擴容之後基本滿足了試驗數據事後處理要求，完成多項試驗任務，從此結束手工計算作業，貢獻巨大、直到20世紀80年代初，微機出現之後441-B才退出現役，海軍葫蘆島試驗基地還安裝了天津電子儀器廠生產的441-D遙測數據處理專用機。

441-B通用計算機還有一個專用機的變種：就是441-C型數字高炮射擊指揮儀。在1972年6月12日的射擊對比實驗中，國產441-C型數字高炮射擊指揮儀徹底擊敗仿蘇聯的六型指揮儀。現場炮兵副司令員孔從洲握著康鵬的手激動的說道：“老康，打得太好了！了不起啊！你是我們炮兵數字指揮儀的鼻祖啊。”

後來，441-C型數字高炮射擊指揮儀定型為59式57-1數字式高炮指揮儀。

1958—1964年，這一時期，全球半導體晶體管電子計算機經歷了大範圍的發展過程。從印刷電路板到單元電路和隨機存儲器，從運算理論到程序設計語言，持續不斷的科技紅利創新和技術革新使得晶體管電子計算機日臻完善，強有力的驅動著全球半導體硅含量提升週期的發展趨勢。

感謝您一直以來、長期持續關注《中國半導體產業的思考——隨筆》和《芯片戰爭——亮劍！國運之戰》相關係列報告以及敬請您持續關注後續系列！

如果您喜歡本文，歡迎轉發和轉載。謝謝。

注1：本文部分圖表、數據等引用於互聯網、公司公告等；

注2：本文相關專利信息和說明等引用於互聯網以及國家相關專利機構等；

注3：本文相關公司信息、產品等引用於互聯網，外媒、公司公告等；

注4：本文相關行業數據、產業信息等來自國家統計局、工信部等。