DPZ - 電的旅程

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回復: DPZ - 電的旅程

發表 由 lung 于 周五 2月 22, 2013 1:28 pm

「第九章:電視」
<空中傳來的視頻 ( 1 )>
曹利金和他RCA的團隊在1931年示範了全電子的電視系統,比法斯沃晚了三年。在1930年曹利金還曾去參觀過法斯沃的實驗室,得到一些啟發。曹利金的電視技術和法斯沃的技術有很多相似之處,但電視攝影機的靈敏度略勝一籌。其實法斯沃赤手空拳可以取得這樣的成果,已是非常不易。但一個大型計畫的成敗取決於很多因素,大多數成功因素法斯沃的公司並不具備。
曹利金示範了電視系統後,RCA繼續大量投資,包括將FM技術整合到電視的音響系統中去。同時又「幫助」聯邦通訊局共同制定了電視轉播的規格標準(稱作NTSC),結果當然完全傾向於RCA的設計。沙諾夫更令旗下的NBC廣播公司,做好第一次電視實地轉播的準備。在1939年紐約舉辦的世界博覽會中,RCA第一次推出了電視機,並由NBC現場轉播了羅斯福總統的開幕詞,視頻從空中傳播四方,開啟了電視廣播時代。……(待續)
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發表 由 lung 于 周五 2月 22, 2013 1:28 pm

「第九章:電視」
<空中傳來的視頻 ( 2 )>續上
在發展電視的過程中,沙諾夫早就瞭解到,法斯沃所擁有的電視技術專利在商業上是他最大的潛在威脅,所以一方面堵塞法斯沃和其他公司合作的機會,另一方面收購了歐洲各國的電視相關專利,充分做好準備,要在法庭上擊潰法斯沃。
在1933年,RCA和法斯沃在智慧財產權上的訴訟案展開了。法斯沃在技術上的成就及先發性不容置疑,RCA的律師群雖出盡各種辦法,但在最關鍵的專利權上,法斯沃還是在1935年贏得了勝利。但RCA繼續上訴,並用了拖字訣,不肯罷休,不停消耗法斯沃的精力和有限的財力。到1939年初,法斯沃的財務狀況已到了崩潰邊緣,RCA只花了一百萬美元(分十年付款)就收購了法斯沃所有36項專利。面對RCA在資源、市場及影響力上的絕對優勢,法斯沃無能為力,在心灰意冷之際,完全退出了電視這個領域。
法斯沃下半生患上精神憂鬱症,情形就像另一個沙諾夫的對手阿姆斯壯一樣。隨著法斯沃的消沉,RCA的公關部門更是大肆宣揚公司對電視技術的貢獻,聲稱電視是RCA的曹利金在1923年獨創的,令人覺得法斯沃根本不存在。成者為王,扭曲歷史,古今中外皆然。可惜後人常為所愚。……(待續)
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發表 由 lung 于 周五 2月 22, 2013 1:28 pm

「第九章:電視」
<空中傳來的視頻 ( 3 )>續上
電視轉播雖在1939年博覽會時已成功示範,但因二次大戰爆發,產品延遲到戰爭結束後、於1946年才正式推出。在大戰期間,RCA電視機團隊不斷的改良CRT在雷達訊號顯示屏上的應用。雷達專用的CRT在戰時需求量很大,為戰後電視機生產技術奠下了基礎。沙諾夫本人在戰時也參加了美國陸軍,協助大西洋兩岸的無線通訊系統發展,榮任陸軍准將。
在1946年電視機面世的第一年,RCA就售出了17萬台電視機,當時售價是每台375美元,相當昂貴;從通貨膨脹率來說,這個價錢相當於今天的3,340美元。到1948年,全美國電視機銷量已超過100萬台;到1950年更達700萬台。RCA市場佔有率超過50%,其他廠商也需向RCA繳交各項專利費用,RCA當初用於發展電視技術的五千萬元投資,在短短幾年間就全部回收了。用CRT技術的電視機稱霸市場整整六十年,直到二十一世紀初,才被高解析度平面液晶顯示器取代。
另一方面,在廣播媒體上,NBC等廣播網也由無線收音機廣播,漸漸轉型成以電視為主導,而觀看電視節目更很快成為全世界人類日常生活中重要的一部分。
沙諾夫在1970年退休,把RCA總裁的位子傳給了兒子。第二年沙諾夫就逝世了,享年八十歲。其後RCA經營不善,跨足了很多與電子無關的行業,在消費電子及電腦市場競爭中又遭慘敗,最後在1984年被GE重新低價收購。當時RCA的主要市值只是NBC傳播媒體而已,其他的價值已很低。沙諾夫是一個眼光獨到的商業奇才,它早已看到收音機及電視機等硬體只不過是價值鏈上的一部分,更可持續的價值必然來自對廣播媒體的控制,所以他在RCA時,大部分精力用在發展廣播電台及網路,名副其實的成為傳媒大亨。
時至今日,做硬體的RCA已不存在。今天電視機工業生根在亞洲,生機勃勃。不過在美國,NBC及ABC仍是意氣風發,對億萬人的日常生活發揮著巨大的影響。…… (完)
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發表 由 lung 于 周五 2月 22, 2013 1:28 pm

「第十章:雷達」
1930年代,美國正忙著發展無線電廣播、電視及電影工業,在歐洲則是戰雲密布,同盟及軸心各國都為戰爭做著準備。英國國防部一位官員讀了特斯拉晚年對於發展「無線電死光」(death ray)做為武器的想法,很感興趣;同時又收到情報說德國有可能在發展這種新武器,於是寫了封信給當時英國在這方面研究的權威,華生-瓦特(Robert Watson-Watt),他是蒸汽機發明人瓦特的後代。
華生-瓦特在回信中坦誠指出,用無線電發展「死光」在技術上是不切實際的,但可以發展用無線電波來遙測遠方的目標,包括飛機及軍艦。華生-瓦特在1935年提出了他對雷達系統的基本想法及詳細的設計。除了偵察目標外,還可從發射雷達電波到接收反射訊號的時差中,推算出目標的距離。雷達的英文字radar就是radio detection and ranging(無線電探向及測距)的簡寫。
雷達其實不是什麼新的概念,赫茲在他的實驗中已證明無線電波可被金屬板反射,就像光被鏡子反射一樣。在1904年,有一個德國人用無線電波的反射,探測到遠在8公里外的船,還拿了專利,不過這個發明沒有受到重視。1922年馬可尼曾發表演講,提出可用無線電波的反射來遙測遠方物體。在1930年代初,已有很多國家開始研究雷達技術,但大家沒有意識到它的重要性。
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「第十章:雷達」
<千里眼 ( 1 )>
英國政府在1937年批准了華生-瓦特的建議,開始建造一個高度機密的雷達系統,代號Chain Home (家鏈),專門用來遙測德國飛機的入侵。雷達的設計牽涉到很多技術,要探測遠距離的物件,發射出去的無線電波功率必須很高,因為只有一小部分訊號會反射回來,而且這訊號要走來回路程,消耗及散射的程度很大,為此,接收器的靈敏度也很重要。另一個條件是無線電波的頻率必須很高(波長很短),這樣才能用較小的天線,而同時又能對目標有高的解析度。這種高頻率的電磁波統稱「微波」(microwave),比一般無線通訊電磁波的頻率要高10倍以上。但是在1930年代,根本沒有可發出高功率的微波技術。
華生-瓦特退而求其次,就用高功率真空三極管技術,發出頻率較低的無線電波,當作雷達的波源,基本上借用了無線電通訊技術。因為所用電磁波頻率低,他把雷達的天線做得很大,高達75至105公尺。Chain Home這個系統可偵測到110公里外在歐陸上空集結的德國飛機。雖然解析度很低,無法知道德國軍機的精確數目或入侵方向,但能提早探知敵機到來的時間及大概方向,這已給英國皇家空軍提供了極大的幫助,英國空軍可以逸待勞,在選定的地點夾擊來犯的德機,以少勝多。Chain Home雷達這套千里眼在1940年的不列顛空戰中,為英國空軍的勝利立下了汗馬功勞。……(待續)
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發表 由 lung 于 周五 2月 22, 2013 1:28 pm

「第十章:雷達」
<千里眼 ( 2 )>……續上
1940年秋夏間,不列顛空戰已近尾聲,但戰事仍緊,尤其是德國的潛艇神出鬼沒,襲擊盟軍在北大西洋的運輸船隊,屢屢得手,給歐洲戰場的補給線造成了巨大的困難。對此大家有一個想法:是否可把高解析度的雷達裝到飛機上去?如果可以的話,那麼潛艇在茫茫大海中就日夜都無所遁形了。只要一露出水面,哪怕只是潛望鏡,也會被盤旋在附近上空的偵察機發現。但要發展機載雷達,技術上必須要有所突破,尤其是需要一個可產生高功率的微波能源,這樣才可縮小雷達體積,裝在飛機上。
共實前一年冬天,英國已經動員了國防科技研究機構及各大學的物理、電機教授,一起苦思良策,發展微波雷達。其中伯明罕大學教授欒道(John Randall)和他的研究生布特(Henry Boot)重新評估了當時所有已知的微波能源基本技術,包括「磁控管」及「調速管」,這些原理都源出於真空管中電子束與電磁場的交互作用。但這些器件在當時最高只能產生5到6瓦特的高頻率微波,頻率是夠高了,但功率遠遠不足。欒道及布特再細讀了馬克士威及赫茲對電磁波的著作,他們的結論是磁控管的設計大有改進空間,尤其是可加入「共振腔」(resonant cavity)效果。……(待續)
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發表 由 lung 于 周五 2月 22, 2013 1:29 pm

「第十章:雷達」
<千里眼 ( 3 )>……續上
欒道及布特的時間不多,因為每日每夜無數的盟國貨輪葬身北大西洋海底。從1939年11月開始,他們盡快做了必要的計算,完成新的設計。為了節省時間,就用實驗室中完成將近一半的普通磁控管加以改裝。幾個星期後,新設計的磁控管完成了。在1940年2月21日第一次測試時,難以想像的事發生了──新磁控管輸出的功率竟然達600瓦特,比以前的最高紀錄多了整整100倍!這種巨大的技術跳躍,在科技發展史上不多見,充分顯示了在發展一個新科技時,如能對基本物理原理有徹底的瞭解,再加上出色的設計,就有可能釋放出這個技術的巨大潛力。
幾星期後,再經過仔細微調,一個可放在掌上的磁控管竟然可發出1,000瓦以上的持續性微波功率,甚至10,000瓦高峰的脈衝式微波。機載雷達微波的功率如能達到這個程度,已可有效偵測方圓11公里海面上露出的潛望鏡。
磁控管當時還有一個基本技術問題,不容易在短期內解決,就是發出的頻率不穩定。但欒道及布特想到了一個聰敏而取巧的辦法,就是不停的測試磁控管所發出的微波頻率,然後用「反饋」方式自動即時調節接收器的頻率,來沖銷差距。欒道及布特及時做了實驗,充分證明了可行性。在1940年7月,用新的共振腔磁控管組成的微波雷達示範裝置完成了,在第一次試驗時,就可偵測到16公里外公路上的腳踏車,功能遠遠超過了低頻雷達。整個微波雷達發展計畫,由始至終只用了不到九個月,進展速度之快,只有在極端緊迫的戰爭期間才會發生。……(完)
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「第十章::雷達」
<最珍貴的行李 ( 1 )>
雖然機載雷達最基本的關鍵技術有了答案,但要盡快的發展產品及進入量產,仍是一個極大的難題,需要巨大的投資和大量的專才。英國當時全副精力都在應付歐洲戰事,根本沒有能力自身來發展這個新技術。分析結果,首相邱吉爾毅然決定,把磁控管的技術無條件和美國分享,然後一起盡快發展機載雷達共用。(當時美國還沒有參戰,理論上還是中立的。)
1940年8月26日,一個祕密的英國代表團,由國防科技高官鐵查德(Henry Tizard)領隊,帶著一個黑箱子來到了美國,箱內裝著一枚看起來平平無奇的短銅柱,上面鑽了很多孔。就是這件金屬元件,在某種程度上改變了戰爭的平衡。這箱子後來有人稱是歷史上「最珍貴的行李」。
美國工程師很快測試了英國的共振腔磁控管,功率之高,令人吃驚。美國欣然同意和英國一起發展新的雷達。軍方很快就在麻省理工學院旁邊,建立了新的「輻射實驗室」(Radiation Lab),徵用了全國各地最優秀的科技人才。在這些人當中有電機工程師、物理教授、數學家,有些來自全國最頂尖的學府,有些來自高科技企業的研發部,人才濟濟,齊心合力,分秒必爭,從各方面著手,高速發展嶄新的高功能雷達。多個團隊分工合作發展磁控管的生產技術,設計新的天線和超靈敏的微波接收器,同時發展了新的雷達訊號處理方法。在短短的一年多時間內,就針對各種戰場上的需求,發展出了一系列的高性能雷達,包括專門偵測潛艇的機載雷達。很多企業從軍方取得訂單,開始大量生產新雷達,源源不絕的安裝到飛機上去。……(待續)
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「第十章::雷達」
<最珍貴的行李 ( 2 )>續上
果然不出眾人所料,隨著機載雷達的服役,再加上裝有聲納追蹤功能的深水炸彈的發展,以及通訊密碼的破解,德國潛艇被大量消滅。到1942年初,在北大西洋已少見德國潛艇出沒,商船隊可通行無阻,把大量物資源源不絕的運往歐洲,做好了諾曼地登陸的準備。當時德國海軍還不完全明白潛艇失利的原因。
除了對付潛艇外,機載雷達可用來控制高精確度的投彈轟炸,在空戰中,也能不分日夜在長距離外先發現敵蹤,讓盟軍戰機群做出更好的戰術配合,占據空中優勢。雷達對空軍非常重要,但從海軍角度來說可能更重要。在茫茫大海中,無論有濃霧或在黑夜裡,艦上的雷達可清楚的偵測出附近海域的所有船隻。幾千年來,靠水手站在桅杆上用肉眼遙望敵艦的情景,永遠消失了。艦上的雷達覆蓋範圍愈大、測程愈遠、對目標位置及速度的偵測愈精確,基本上就立於不敗之地,所以現代軍艦上都有幾十套不同的雷達,各有作用。雷達的優劣在海戰中,可能比船隻的性能更重要。……(完)
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發表 由 lung 于 周五 2月 22, 2013 1:29 pm

「第十章::雷達」
<精確的導航定位 ( 1 )>
另一個和雷達很有關係的重要技術,在戰時也得到迅速發展,就是無線電導航。在英國華生-瓦特發展雷達的團隊裡,還有一位無線電專家,名叫狄丕(Robert Dippy)。他提出了一個概念,就是用三個或更多的高功能無線電發射站,一起同步傳送一組電波。在任何一個可接收到這些電波的地點,收到各組訊號的時間會有極小的差異,因為電波傳播的速度是光速,而每一個發射站到接收地點的距離不一樣,所以電波到達的時間也會有快慢。如果每一個發射站的位置可以預先精確知道,電波發出的時間也能極精確的控制,那麼從數學上可從每一個訊號到達的時差,推算出接收點的位置。
這個原理講起來很簡單,但要做到精確就絕不簡單了。就在發展雷達的同時,狄丕用了很多當時頂尖的雷達和無線通訊技術,示範了無線導航的可行性。不久他的團隊發展出一個最高機密的導航系統,稱為「GEE」。在1942年底,英國空軍成功使用「GEE」作導航,第一次轟炸了德國工業城市埃森。從此在飛機上除了羅盤外,又多了一項導航機制,使得導航能更精確可靠。當時高精確度的慣性羅盤非常昂貴,只能安裝在少數飛機上,而較廉價的羅盤,準確度又不夠。有了無線電導航後,因接收器成本不高,很快就廣泛應用,到大戰後期,大多數飛機都安裝了無線電導航設備。…… (待續)
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「第十章::雷達」
<精確的導航定位 ( 2 )>續上
1940年的鐵查德訪問團,除了雷達外,也和美國分享了狄丕的無線導航技術,因此美國「輻射實驗室」在發展雷達的同時,也發展了長距離無線電導航系統(long range navigation),稱作LORAN,後來在太平洋戰爭中起了很大的作用。從航空母艦起飛的飛機,為了減輕重量,油箱都很小,航程很短,而太平洋無邊無際,海上又很少可辨識位置的標誌,導航稍有失誤,就無法返航。在這種情況下,無線電導航更是不可缺少。戰後經過不斷的改良,演變成LORAN-C導航系統,民用飛機也大量應用;在1980年代,更演變成了利用21顆衛星星座的「全球定位系統」(global positioning system),簡稱GPS。價廉的GPS接收器,今日已裝進了車子與手機!……(完)
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「第十章::雷達」
<微波世界 ( 1 )>
雷達技術因戰爭需要而誕生,在發展過程中,政府在財力、物力及人力上的投入,規模之大,在電子歷史上沒有發生過,RCA在戰前投資五千萬美元發展電視技術,比較起來就如小巫見大巫了。美國戰時對發展雷達的投入,在國防科研中僅次於發展原子彈的「曼哈頓」計畫。雷達的高速研發、量產及應用,對盟軍的勝利貢獻很大。這些新的技術及產品,在戰後也發揮了巨大的作用,戰時集組的技術團隊,在戰後電子技術高速發展時期中,更形成了人才的中堅。
雷達成功最大的原因之一,是欒道和布特重新設計的磁控管。一個小小的磁控管,不單可發出高頻率的微波,而產生的功率可達一千瓦以上。早期做實驗時就有人發現,把香菸放在磁控管的微波出口處,很容易點著火,把濕衣服放在磁控管前,也很快就烤乾。這些應用後來發展成微波爐。隨著磁控管造價不斷降低,微波爐已是日常生活廚房裡不可缺少的設備,這大概是欒道及布特當初沒有想像到的應用。現代磁控管可把電能的40%以上轉變成微波能量,而在微波爐中,幾乎所有的能量都被食物中的水份吸收,變成熱量,所以微波爐是效率最高的爐子之一。…… (待續)
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「第十章::雷達」
<微波世界 ( 2 )>……(續上)
戰爭期間,雷達技術發展的一個重要方向是將波源頻率不斷提升,也就是微波的波長愈來愈短,到後期更達到了1公分以下,發展的目的是為了增加對目標的解析度,同時又可縮小天線的體積。在這個過程中,工程師發現有些波長在空氣中的測距變短了。在戰爭時,大家無暇去明白這些問題,戰爭結束後,有很多剩餘物資,包括各種在研發階段的雷達,都由政府捐給了大學,作繼續研究之用。當時很多教授在戰時都曾參加過雷達發展工作,對雷達技術都非常熟悉,回到學校後,有更寬裕的時間來做基本研究。
不久大家發現,各種波長的微波在空氣中傳播,是一個非常複雜的現象。空氣中混雜著很多不同的氣體,除了氧及氮外,還包括水蒸氣、二氧化碳等,這些氣體都會有選擇性的吸收微波中特定的波長,這種波長和氣體分子結構中的共振能量相關。譬如說空氣潮濕,充滿了水氣,那麼水氣可吸收的微波波長,在空氣中傳送的距離就變短,因為能量都給吸收了。這個學問後來演變成「光譜學」,對現代化學和物理的研究有極大的助益;同時這技術又是現代「大氣科學」的基本工具。運用微波技術,科學家可測量空氣中各種現象,包括現時極受重視的空氣污染及排碳程度。…… (待續)
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「第十章::雷達」
<微波世界 ( 3 )>……(續上)
從雷達發射出的微波被目標反彈時,如果目標在移動,反射的微波頻率會根據「都卜勒效應」而有變化。從這個頻率的變化中,可測出目標移動的速率及方向。在和平用途上,都卜勒雷達可用來測定車子的速度,高性能的車子裝上雷達,可以自動避免撞車。氣象雷達利用都卜勒效應,測量雨滴在空氣中的分布與轉動方向。電視上天氣預報少不了用氣象雷達畫面,顯示各地降雨的強弱及分布。很多飛機的前端都安裝了小型的氣象雷達,目的是預示前方的風暴或不穩定氣流,可讓機師改變航道,盡量減少乘客所受的顛簸。
在二次大戰結束後,美蘇兩大陣營對峙,發生了歷時四十多年的冷戰。雷達系統的發展在其間沒有停歇過,主要目標之一,是要用雷達監視空中所有飛行物位置的瞬息變化,包括導彈及飛機。這個系統性的能力,很快被應用到民航管理上;現今空中每一架飛機的位置、航速、方向,都在地面控制員和他的電腦掌控之下,再經地面和飛機駕駛員以無線電聯絡,把空中交通管理得井井有條,保持了航空系統的安全。…… (待續)
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「第十章::雷達」
<微波世界 ( 4 )>……(續上)
此外,很多大學教授在戰後用雷達做起天文研究來。早期有人改良了雷達,增加了功率及接收靈敏度,然後把月球當作一個目標,結果準確的量度了月球和地球間的距離。隨著接收器的靈敏度愈來愈高,有人發現很多星球散發著微弱的微波訊號。於是「電波天文學」應運而生。
馬克士威告訴我們,微波和可見光其實是一樣的電磁波,只不過波長有異而已。一個熱的物體會放射出各種波長的電磁波來,包括微波。所以用微波來觀測星球,不過是用另一個肉眼看不到的「顏色」來觀察而已,而微波更適宜於觀測宇宙中低溫的物體和各種氣體的分布,大幅開拓了人類對宇宙的視野。在技術發展過程中,由於很多星球的訊號極度微弱,科學家把接收器的靈敏度提高到了一個前所未聞的境界。其中最大的創新是湯斯(Charles Townes)教授在1957年首次使用的「邁射」接收器,這個技術充分利用了量子力學裡的新理論,是雷射的先驅。幾年後,援用同樣的原理,第一個雷射就面世了。
雷達是應戰爭的需要而大力發展出來的。在電子發展的歷史上,沒有哪一個項目有雷達的規模之大及發展速度之快。雷達改變了現代戰爭的面貌,而戰後雷達的推廣及應用,影響力更是超過任何人的預期。…… (完)
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「第十一章:電腦」
真空三極管的發明,很快解決了長途電話的技術問題,接著帶來了收音機、電視機、雷達及無線電導航等技術。在1940年代中,真空電子還觸發了一項對現代人生活極端重要的技術,就是電腦,或者更精確一些,在當時應稱為電子計算機。
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「第十一章::電腦」
<計算機>
電腦嚴格來說不是一項電子產品,而是一個專門用來按程序作運算的工具。大家熟悉的算盤可看成是一架簡單的計算機——在東漢末年中國已有記載,在北宋更發展了十進位的算盤。
十九世紀初,英國數學家巴貝奇(Charles Babbage)設計了複雜的機械計算機,稱為「差分機」(difference engine),專門應用在快速運算大量不斷重複的計算問題上,譬如計算函數表或分析人口統計數據。經過將近一百年的發展,到1940年代初,無論在英國、德國及美國,計算機的發展都已有相當規模。計算機在軍事上擁有巨大的潛力,可用來破解密碼、高速計算砲彈軌跡,或即時規畫複雜的物流運籌。
早期計算機功能都用聰敏的機械方式來達成。到二十世紀初,有了精確高速的馬達後,很多邏輯及計算的功能轉而用「機電」(electro-mechanical)辦法,最有代表性的就是哈佛大學的Mark I機電計算機,每秒鐘可進行三次多位數的加減運算。
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「第十一章::電腦」
<電子巨無霸 ( 1 )>
真空三極管的發明,使得電子的功能可以應用到計算機上。三極管擁有用電子訊號控制「開關」的性能,極適合用於高速執行數位型的邏輯及算術運作。1919年,英國工程師埃可斯(W. H. Eccles)及佐敦(F. W. Jordan)用三極管示範了一個簡單的電路叫「正反器」(flip-flop),這是執行數位型邏輯與儲存訊息最基本的功能。在1920年代真空管價格昂貴,而每架計算機對真空管的需要數量很大,簡單的系統也需要幾百件、甚至數千件。所以用真空管來做全電子的計算機,只能是一個夢想。
不過隨著收音機的普及,真空管的價錢開始下跌,功能及可靠度也有進步。從1930年代開始,很多人已開始小規模的把真空管應用到計算機上去,包括德國的計算機先驅朱賽(Konrad Zuse)及美國的阿塔那索夫(John Atanasoff)教授。由英國國防部資助發展的Colossus電子計算機,用上了1,500枚真空三極管,在破解德軍密碼的過程中立下大功。但Colossus一直被列為最高機密,技術上的詳細資料到今日還沒有完全解密,所以雖然先進,但對當時計算機技術的發展,直接影響並不大。…… (待續)
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發表 由 lung 于 周五 2月 22, 2013 1:31 pm

「第十一章::電腦」
<電子巨無霸 ( 3 )>……續上
莫渠利花了一星期時間,仔細研究了阿塔那索夫的設計。雖然這只是一架小規模的計算機,只用了280枚真空三極管,但在設計中應用了兩個重要的新概念。第一個創新是所有的數據都用「二進位」來代表,一切資訊都是1與0的組合。第二個創新是所有二進位的邏輯、計算處理、儲存,都用電子開關方法來執行,而這些方法的原理是根據1854年英國數學家布耳(George Boole)所發明的「布耳代數」,有效的將數學及邏輯在二進位的基礎上合而為一。阿塔那索夫在1942年被徵召去海軍發展聲納技術,未能把電子計算機研究繼續下去。他委託學校代為申請專利,結果學校沒有跟進。
莫渠利從阿塔那索夫處回去後,對發展全電子計算機有了新的想法。1942年莫渠利加入了附近的賓州大學的工學院,並結識了電機部研究生艾科特。艾科特是一個傑出的年青工程師,在系統與電路設計上都超人一等。莫渠利和艾科特兩人都存著雄心壯志,要在電子計算機的發展上有一番作為。在1942到43年間,兩人詳細設計了一架大規模的通用(general purpose)全電子的計算機,所有運算及儲存功能都用三極管電路完成,而計算程序可由外界輸入的軟體控制。…… (待續)
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「第十一章::電腦」
<電子巨無霸 ( 4 )>……續上
他們寫好建議書後,開始接觸軍方,希望可以得到資助。當時戰事正酣,美軍專門測試各種新開發大砲及彈導軌跡的亞伯丁(Aberdeen)試驗場,離賓州大學不過一小時車程。砲彈試驗場的職責之一,是計算各種大砲在不同條件下瞄準目標所需的數據,用來精確控制砲彈落點。當時有三百多種新大砲及砲彈,在等待精確計算的結果。
試驗場雖有兩百多位專責計算的人員及多架機電計算機,但仍來不及完成任務,工作壓力日增。試驗場專門負責與大學作技術聯絡的官員哥斯汀(Herman Goldstine)中尉,看到莫渠利的建議書,覺得值得一試。他努力從美國陸軍的彈道研究所爭取到五十萬美金,來資助此計畫,希望這架超高性能的全電子計算機,可用來快速運算出各種砲彈的飛行軌跡。從這件事可以看出,美國在戰時發展電子計算機,不是像雷達那樣大規模的策略性投資,而是為解決一個專門性技術問題的中型研究計畫。…… (待續)
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「第十一章::電腦」
<電子巨無霸 ( 5 )>……續上
整個計畫在1944年開始,這個新的電子計算機命名為ENIAC(electronic numerical integrator and computer)。莫渠利、艾科特及整個團隊全力投入了ENIAC的發展。其間,莫渠利還多次專程去拜訪了當時任職海軍武器研究所的阿塔那索夫,請教了不少問題。但莫渠利從來沒有提起ENIAC計畫,以後也從未向阿塔那索夫表達道謝或分享任何成就。
莫渠利的團隊花了兩年多時間,才完成ENIAC,當時已是1946年,戰爭已經結束。所以ENIAC在戰時沒有發生作用,但在電腦發展的里程碑上卻占著一個很重要的地位。ENIAC是一個巨無霸,整架電腦共用了17,468枚真空三極管,有五百多萬個焊接點,全重30噸,耗電160千瓦。在運轉時,ENIAC每秒鐘可執行5,000次加減運算,或357次乘除,比哈佛Mark I運算速度快了一千多倍!到此,全電子大型計算機的可行性及前景已非常明確,新的電子計算機功能全面,配上各種軟體程式,已可應用到解答多類複雜問題,不再限於計算,所以自此電子計算機應正名為「電腦」。…… (完)
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「第十一章::電腦」
<現代電腦的框架 ( 1 )>
ENIAC雖然成功了,但還存在三個重大的缺陷。首先電腦中的記憶體容量嚴重不足,很多電腦的重要潛能得不到發揮。其次是ENIAC所執行的軟體程式都必須用外在的電線接頭及開關位置來控制,需要改變程式時非常緩慢不便,又易出錯。最後是ENIAC用了太多真空三極管,無論是體積、耗電量或價格都太高,而可靠度又低。當時三極管的平均壽命雖已達3,000小時,但因使用的數目龐大,艾科特用統計學預測,每10分鐘就會有一只損壞;事實上,ENIAC開始運轉時,每28秒就有三極管損壞,可靠度極低。這些弱點在發展ENIAC的中途,就已經很明顯了,所以莫渠利的團隊在1945年ENIAC還沒有完成前,就已開始設計一架改良的電腦,代號EDVAC,同時又開始發展一種新的記憶體技術來取代真空管,解決第一個基本問題。
在ENIAC發展的過程中,哥斯汀中尉找來了附近普林斯頓大學鼎鼎有名的數學教授馮諾伊曼(John von Neumann)。他看了ENIAC的設計後,有所覺悟,提出了把電腦運算的各種軟體程式儲存在計算機內部的記憶庫中,稱作「內儲程式」(stored program)方式,這是一個電腦設計上革命性的概念。從此電腦要轉變操作程序,可以非常快速有效率。馮諾伊曼的新概念大大提高了電腦的全面功能及靈活性,這個新設計後來應用在EDVAC上,徹底解決了ENIAC所遭遇的第二個程式輸入問題。…… (待續)
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<現代電腦的框架 ( 2 )>……續上
莫渠利從阿塔那索夫處看到了二進制的優勢,但不知為何,在設計ENIAC時卻選擇了十進制。(是要避免過分抄襲阿塔那索夫的設計嗎?)非常明顯的,用二進制設計電腦,在邏輯及計算效率上可有極大提升,同時所需用的三極管數目也可減少。雖然沒有解決三極管數量問題,但至少減輕了問題的嚴重性。當然,最理想及最徹底的解決辦法是發展比真空三極管更可靠、快速,及便宜的電子開關元件。
從ENIAC大家已明確的看到,電腦發展的瓶頸及功能盡繫於能用上更多的記憶體容量及電子開關。一架用100萬或1億枚三極管組成的電腦,可以擁有多少不可思議的功能?有可能嗎?令人想像不到的是,這個夢想在不到三十年的時間內就達成並超越了。
從EDVAC開始,所有電腦設計基本上都採用了二進制,再配備電子開關來執行二進位代數及邏輯;最後再加上馮諾伊曼的內儲程式及系統設計──這些基本概念確立了現代電腦的框架。在1946年,賓州大學舉辦了一次學術性的暑期班,邀請了政府、私人企業及多個研究中心負責電腦發展的專家,雲集一堂,分享了這些知識,揭開了現代電腦的新紀元。硬體的發展同時帶動了軟體技術的高速成長。新的「系統軟體」,統籌著電腦上各部位複雜而有效的運轉;另一類「應用軟體」,則指示電腦如何依照聰敏的數學及邏輯程序,來處理各種輸入的資訊,再把處理過的答案輸出,供作應用。…… (待續)
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「第十一章::電腦」
<現代電腦的框架 ( 3 )>……續上
EDVAC成功後,莫渠利和艾科特離開了學校,創立自己的公司,加速了電腦工業的演變。他們在1964年拿到了屬於兩人的ENIAC設計專利權,不過在1973年,法庭推翻了ENIAC專利的合法性,裁定ENIAC的設計是阿塔那索夫電腦概念的延伸,但因阿塔那索夫沒有申請專利,所以最後把電腦設計專利權開放為「公用域」(public domain)。
另一方面,馮諾伊曼在1945年發表了EDVAC初步設計文件,除了整個電腦框架外,還第一次詳細解釋了內儲程式的概念。在這份重要的文件上,他把自己當作唯一的作者,完全不提莫渠利及艾科特,因而引起極大的爭論。
日後,這四人之間充斥了恩怨紛爭,但在電腦技術的高速發展中已不重要。這四個人對早期全電子電腦技術的發展,都立有大功,而在這個過程中,美國陸軍部投資的ENIAC及EDVAC計畫非常有關鍵性,這兩個計畫把全電子電腦技術推到了「臨界點」。很多有前瞻性、高風險、投資額高的技術發展,因報酬率的不確定性很大,私人企業常望而卻步,有了政府的介入,有時可解除這個盲點。無論在電腦、電報或雷達的發展史上,都是如此。…… (待續)
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「第十一章::電腦」
<現代電腦的框架 ( 4 )>……續上
IBM很早認識到,電腦的功能不限於科學與工程上所需的各種複雜計算,更重要的是可處理與分析大量訊息資料。隨著日益快速增長的訊息量,電腦在商業上的重要性無與倫比,全力發展電腦產品完全符合IBM公司的宗旨與策略。從1950年代初,IBM就一直是電腦工業的領袖,甚至在1970年代個人電腦興起的過程中,也扮演了重要的角色。
從長途電話、收音機、電視機、廣播系統、雷達、無線導航、到全電子電腦,這些重要的發明及應用,都因三極管在訊號放大及電子開關兩方面的獨特功能,得到初步發揮。但要進一步發展已不容易,因三極管性能上有很多重大的缺陷,包括體積大、耗能高、易碎、價格高、可靠度低。ENIAC所面對的窘境,就是最好的寫照。如要克服這些難題,科技界需要發展出比真空三極管更好的放大器和電子開關。這個需求變得愈來愈迫切,技術界領袖們不停的自問這可能嗎?如果可能的話,將會是什麼技術?
這就帶我們進入了一個新的時代——固態電子!…… (完)
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