晶體管計算機

晶體管計算機指20世紀50年代末到60年代的計算機。主機採用晶體管等半導體器件，以磁鼓和磁盤為輔助存儲器，採用算法語言（高級語言）編程，並開始出現操作系統。由於採用晶體管代替電子管，所以很輕，且運算速度比較快，達到每秒幾十萬次 ^[1]  。

（1）特徵：硬件方面，用晶體管做邏輯元件，磁芯材料做存儲器；軟件方面，用髙級程序設計，應用方面，向數據處理、過程控制方面拓展。

（2）大事記：出現了高級語言 Fortran ^[3]  。

晶體管計算機的基本邏輯元器件由電子管改為晶體管( Transistor)，內存儲器大量使用磁性材料製成的磁芯，外存儲器採用磁盤。與此同時，計算機軟件技術也有了較大發展，提出了操作系統的概念；編程語言除了彙編語言外，還開發了Ada、 FORTRAN、 COBOL等高級程序設計語言，使計算機的工作效率大大提高。IBM700系列是第2代計算機的典型代表。與第一代電子管計算機相比，晶體管計算機體積小，重量輕，速度快，邏輯運算功能強，可靠性大大提高。其應用從軍事及尖端技術擴展到數據處理和工業控制方面 ^[2]  。

半導體材料的發明，尤其是硅半導體材料的應用，為晶體管計算機的發明奠定了基礎。1957年，美國製成全部使用晶體管的計算機，第二代計算機誕生了。晶體管比電子管功耗小、體積小、重量輕、工作電壓低、工作可靠性好。用晶體管取代電子管，使計算機體積大為縮小，計算機的運算速度提高到每秒幾十萬次，比第一代電子管計算機提高了近百倍 ^[4]  。

早在18世紀，人們發現自然界有些材料允許電流通過的程度，介於導體和絕緣體之間，比如鍺和硅的氧化物，人們稱其為半導體。半導體一旦受到光照或在摻人極少量 的雜質後，它們允許電流通過的能力會成百上千倍地提高。1947年，貝爾電話實驗室研製出了第一個半導體三極管，即晶體管。

晶體管沒有玻璃管殼，不需要真空，體積很小，生產成本很低，壽命比電子管長得多。因此，晶體管一問世，立即得到迅速發展且取代了電子管的位置。

晶體管的發明，在計算機領域引來一場晶體管革命，它以尺寸小、重量輕、壽命長、效率高、發熱少、功耗低等優點改變了電子管元件運行時產生的熱量太多、可靠性較差、運算速度不快、價格昂貴、體積龐大這些缺陷，從此大步跨進了第二代的門檻。

1955年，貝爾實驗室研製出世界上第一台全晶體管計算機TRADIC，它裝有800只晶體管，只有100瓦功率，佔地也僅有3立方英尺。同一年，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。IBM公司小沃森向各地IBMI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，IBM公司製成了第一台全部使用晶體管的計算機RCA501型。由於採用晶體管邏輯元件以及快速磁芯存儲器，計算機速度大幅度提高，從每秒幾千次一下子提高到幾十萬次，主存儲器的存貯量，從幾千字節一下子提高到10萬字節以上。 ^[5] 

1959年，IBM公司又生產出全部晶體管化的電子計算機IBM7090，換下了誕生不過一年的IBM709電子管計算機。IBM7090從1960年到1964年一直統治着科學計算的領域，並作為第二代電子計算機的典型代表，永載計算機發展的史冊。

1958～1964年，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，不斷的革新使晶體管電子計算機日臻完善。1961年，世界上最大的晶體管電子計算機ATLAS安裝完畢。1964年，中國製成了第一台全晶體管電子計算機441-B型 ^[6]  。

1964年8月，441-B晶體管計算機調試成功，開始試算題目了。這一天，沒有開大會，沒有照相，也沒有新聞報道，消息依然長上翅膀遠飛。許多單位聞訊，紛紛向國防科委要求馬上裝備441-B機。成都電訊工程學院於9月1日和14日兩次向國防科委四局、八局提出複製441-B機的要求。

1964年9月29日，國防科委[ 64]科四字第1126號文批覆：同意西安軍事電訊學院、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，主要器材由國防科委組織提供，向每個單位撥款60萬元人民幣。

10月，哈軍工決定成立計算機研究室，代號408。

28-31日，國防科委四局為了這次複製召開座談會，發出了會議紀要：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，這次培訓不光是學習知識和技術，各參加單位要聯手做出自己使用的計算機。

除去參加複製441-B的五所高校、兩個研究所，還有哈爾濱工業大學、738廠、炮兵研究所、總參測繪局、核試驗基地、兵器試驗基地、總字4497部隊和國防科委四局共16個單位64人蔘加培訓。這次集結成為計算機領域中的一次盛大聚會，也是十年來計算機事業的一次大規模的成功跳躍。

國防科委對這次培訓提出嚴格要求，也是最基本的要求：首先，全部開放441-B計算機技術，由直接參加電路設計的人員講課，講到學員都明白；第二，僅有的一台計算機要供學員們操作；第三，圖紙完整、資料完整，使培訓單位能夠自行生產。

1965年4月，國防科委再次指示哈軍工複製三台441-B晶體管計算機，供三個試驗基地的緊急需要。408研究室立即行動。是年底，第一台計算機運往核試驗基地；1966年10月，第二台機器運往20基地；11月，第三台機器運往兵器試驗基地。三台機器都發揮了重要作用。 441-B計算機是第二代晶體管計算機的第一個型號，不過研發的第一台機器還不是印刷電路，只是佈線板，可也是學院的“大寶貝”。幾所院校計算機專業的回憶錄都記述了培訓經歷，從此數字大道一路暢通。441-B學習班的技術資料也很精緻，電路插件圖是四開大的橫排本子，銅版紙印刷，每種插件都有原理圖和印刷電路的版圖，一個學習單位贈送一套。不過所有單位的圖紙隨着機器退役也收繳銷燬，至今沒有發現原件。

康鵬作為培訓主講人，從電路講起，到硬件、電路板，再到整個指令結構、邏輯結構；劉文璽講邏輯電路；譚信講電源；任連仲講存儲器；王振青講外部設備，將知識和創新精神一起復製出去。王振青是哈軍工1961年的計算機研究生，沒結業就參加了441-B工程，他的理論水平和操作能力都很高，一直參與計算機設計、生產和調試，還有計算機複製與郵電部的長途自動電話項目輔導等。

441-B機所需的主要器件當時十分缺乏，晶體三極管、二極管、記憶磁芯和阻容器件等由國防科委出面安排廠家定點生產、

統一供配。這次複製的參與單位分擔整機設計和製造加工分工，協作小組組長“成電”，副組長“交大”，各單位技術負責人蔘加機械結構工藝設計、印製電路設計和器材三個專業小組，分頭在上海交大、哈軍工和京工領導下工作。

北京工業學院承擔磁芯板設計、製造，提供整機配套磁芯板，成都電訊工程學院承擔磁芯測試儀和電灼式打印機，西安軍事電信工程學院生產晶體管測試儀，上海交通大學負責機箱設計、製造，成品噴漆和色彩各單位自便。

成電成立了441-B工程領導小組：張志浩副系主任任組長，周錫令為技術總負責人，程正賢主管行政事務，原均任政治協理員。工程組有上百人，其中運控組負責人：王學均、黃安南、郭宗桂；存儲組負責人：袁宏春、朱景義；軟件組負責人：龔天富、許家材；外設組負責人：章鑑汀、歐慎章；電源組負責人：周明天，還有焊接組、磁芯測試組、印製工藝加工組等。

在主樓三層提供了五個房間，共216平方米，主樓西一層還使用了幾個房間，作為車間和工作坊。

成電數學專業的龔天富、楊聲林、陳景春、許家材、黃天發五位教師，自1964年初至1965年9月，到哈軍工參加程序開發，為全面運用計算機打下基礎。從成都到東北要在北京換車，黃天發買不上卧鋪車票，上車一直站到山海關才有了座位。哈軍工的教員帶着軍大衣到車站迎接，在雪花漫天飛舞的北國，讓身穿毛衣的他們一下子就感到了全身的温暖。

從1965年5月至1966年4月，完成了15種單元電路重新定型和測試，直流供電電源研製，磁芯測試儀設計、生產與調試，數以幹計的晶體三極管、二極管的高温老化及篩選，數十萬顆記憶磁芯的測試挑選和40塊磁芯板的穿線製作，上千個脈衝變壓器的繞制與測試，插件板焊接，四百多塊插件板的

功能模擬測試，部件分調、整機聯調與系統可靠性測試等大量工作。

大家互通有無、同舟共濟、共克難關。三機部六院一所缺少20線插頭座，成電支援200副，成電教師周錫令巡迴排除磁芯測試儀故障。缺少3AA型、3ZK型大功率晶體管，七院六所支援成電25只、上海交大15只、哈軍工15只、西軍電15只、西工大10只，哈軍工調撥一批10毫米×6毫米×5毫米脈衝變壓器磁芯，使30台磁芯測試儀按時順利完成。

上海交大連續複製三台441-B計算機，供4497部隊和七院七所使用。1966年5月，441-B機由專機空運重慶，參加“全國儀器儀表新產品展覽會”西南地區展，觀眾對計算機性能驚歎不已。441-B晶體管計算機終於在成電運行起來，這是西南地區第一台全晶體管通用數字計算機 ^[7]  。

人們把1959-1964年出現的晶體管計算機稱為第二代計算機。通常具有以下特點：

（1）用晶體管代替了電子管。晶體管有一系列優點：體積小、重量輕、發熱少、耗電省、速度快、壽命長、價格低、功能強。用它做計算機的開關元件，使計算機的結構與性能都發生了新的飛躍。

（2）普遍採用磁心存儲器做內存，並採用磁盤與磁帶做內存。這就使存儲容量增大，可靠性提高，為系統軟件的發展創造了條件。

（3）計算機體系結構中許多意義深遠的特性相繼出現，例如變址寄存器、浮點數據表示，中斷、I/O處理等。

（4）彙編語言取代了機器語言，而且開始出現FORTRAN、CDBOL等高級語言。

（5）計算機的應用範圍進一步擴大，開始進入過程控制等領域。

與電子管計算機相比，晶體管計算機包含了操作系統，它能夠為輸入輸出、內存管理、存儲和其他的資源管理活動提供標準化的程序。開發應用程序不再需要寫資源管理程序了，這些操作系統允許程序員可以調用操作系統程序的應用軟件。但是，IBM公司和其他計算機生產商早期開發的專用操作系統只能在特定的計算機上運行，它們各自有自己唯一的命令集來調用它們的程序。這意味着程序員每學一種操作系統就要重新學習一種編程，這也在一定程度上限制了它們的發展 ^[8]  。

1947年12月，美國貝爾實驗室的肖克利、巴丁和布拉頓組成的研究小組，研製出一種點接觸型的鍺晶體管。由於其響應速度快，準確性高，可用於各種各樣的數字和模擬功能器件，包括放大、開關、穩壓、信號調製和振盪等器件。晶體管的問世，是20世紀的一項重大發明，是微電子革命的先聲。1948年6月30日，貝爾實驗室主任鮑恩鄭重宣佈： “我們將該項發明稱之為晶體管，它是一種電阻或半導體器件，能將通過它的電信號進行放大。”1956年，肖克利、巴丁、布拉頓因發明晶體管同時榮獲諾貝爾物理學獎 ^[6]  。

電子管計算機的基本邏輯單元器件是電子管（Electronic Tube），內存儲器採用水銀延遲線或磁鼓，外存儲器採用磁帶等。其缺點是：速度慢，可靠性低，體積龐大，能耗高，價格昂貴。編程語言主要採用機器語言，後來發展了彙編語言編程，但調試工作十分繁瑣，其用途僅侷限於軍事科學研究的科學計算。

晶體管計算機的基本邏輯元器件改為晶體管( Transistor)，內存儲器大量使用了磁性材料，外存儲器採用磁盤和磁帶。運算速度從每秒幾萬次提高到幾十萬次乃至幾百萬次。同時，計算機軟件技術也有了較大突破，提出了操作系統的概念，還開發了FORTRAN、COBOL等高級程序設計語言，這使計算機的工作效率大大提高。晶體管計算機體積小，重量輕，速度快，邏輯運算功能強，可靠性大為提高，應用領域擴展到了數據處理、工業控制等領域。

1958年Jack Kilby發明了集成電路(Integrated Circuit，IC)，它是一種把晶體管、三極管、電阻、電容、電感及佈線都加工到一片小小的硅片上的電子器件，不久科學家們又把更多的電子元件集成到了單一的半導體芯片上。於是，計算機變得更小，功耗更低，速度更快。同時，操作系統的使用使得計算機在中心程序的控制協調下可以同時運行許多不同的程序。IBM 360是最為著名的集成電路計算機。

進入20世紀70年代以來，計算機邏輯器件採用大規模集成電路(Large ScaleIntegration，LSI)和超大規模集成電路（VeryLarge Scale Integration，VLSI）技術，在硅半導體上集成了大量的電子元器件，集成度很高的半導體存儲器也取代了磁芯存儲器。同時，操作系統不斷完善，各種應用軟件也成為了現代工業的一部分 ^[9]  。