理论教育 题:晶体管技术与DEC历史的关系

题:晶体管技术与DEC历史的关系

时间:2023-05-27 理论教育 版权反馈
【摘要】:DEC的出现和晶体管技术有着密切的关系,所以我们在介绍DEC的发展历史之前,需要先介绍一下晶体管技术在美国的萌芽和发展。晶体管就是在这一背景下成为贝尔实验室研发成果之一的。在发明了点接触晶体管后,贝尔实验室出现了一段小插曲,肖克利的情商弱点也因此暴露。一年后41岁的肖克利成功地发明了PN结型晶体管技术。1951年肖克利的研究小组成功地开发出PN结型晶体管技术后,拥有这项专利的美国电报电话公司采取了这种授权开发的正

题:晶体管技术与DEC历史的关系

前面提到的旋风和赛奇计算机系统的研发至少通过两个公司对后来的电子商务发展产生了深远的影响,一个是我们所熟悉的IBM,另一个是在麻省理工学院诞生的创新公司DEC。DEC的出现和晶体管技术有着密切的关系,所以我们在介绍DEC的发展历史之前,需要先介绍一下晶体管技术在美国的萌芽和发展。

晶体管技术是贝尔实验室的研究人员在1947年发明的。贝尔实验室是美国电报电话公司(AT&T)的研发机构。美国电话电报公司则是计算机技术普及之前垄断美国信息通信领域40多年的最有影响力的高科技公司。该公司的早期管理者西奥多·威尔(Theodore Vail)高瞻远瞩和巧言善辩,以电话和电报需要一个公司的“天然垄断”来实现网络效应为理由说服了美国联邦政府容忍了该公司对电话和电报系统的垄断地位。这一垄断地位为美国电报电话公司带来了利润上的超额回报,使得该公司能够负担起像贝尔实验室这样的以基础研究为主的不受短期盈利目标限制和行政管理层约束的巨型研发中心,在一定程度上起到了鼓励创新的效果[19]。晶体管就是在这一背景下成为贝尔实验室研发成果之一的。

贝尔实验室晶体管的发明与当时在那里工作的物理学家威廉·肖克利(William Shockley)有着密切的关系。肖克利大概属于智商高于情商的典型代表。而正是他的这一性格特点,阴差阳错地造就了后来的硅谷繁荣。

肖克利出生于一个移居英国伦敦的美国人家庭。三岁时他们举家搬回加州帕洛阿尔托(也就是后来的硅谷中心地带)的老家。据说他的做矿业工程师的父亲能够熟练使用8国语言,而他斯坦福大学毕业的母亲是美国第一位涉足矿业勘测的女性。肖克利本人从加州理工大学本科毕业后,又在1936年从麻省理工学院获得了博士学位,然后受聘于贝尔实验室,开始了在固态物理方面的研究工作。

20世纪前50年的美国电话电报公司在美国信息技术领域所扮演的角色就像后来的IBM。电话是当时流行的高科技,贝尔实验室成为研发新的电话传输技术的顶尖机构。为了保持竞争力和探索新技术领域,贝尔实验室在基础科学方面进行了大量的研发工作,其中就有固态物理中的半导体技术。20世纪初,英美的科研人员发现半导体在导电性能上和当时的电子真空管有很多相似之处,可以根据承受的电压的不同而产生不同的导电性。用半导体材料制造出的类似于真空管的半导体三极管不但体积很小,避免了玻璃电子真空管易碎的弊病,还更加结实和省电。

肖克利在贝尔实验室卓有成效地工作了几年后,适逢二战,于是和当时的其他科学家一样,在1942年暂离贝尔实验室,去了哥伦比亚大学,开始负责反潜技术的研究工作。在以后的4年里,根据他的建议和对飞行员雷达培训,美军的反潜飞机效率大增,成功地拦截了不少德国潜艇。当二战接近尾声时,也是根据他对美军登陆日本本土作战的伤亡估计,美军决定使用原子弹而不是登陆战来迫使日本投降。所以,肖克利不但是位智商很高的科学家,而且其在贝尔实验室的工作业绩和二战的赫赫战功也让他很是得意。

二战结束后,肖克利重返贝尔实验室和同事化学家斯坦利·摩根(Stanley Morgan)一起领导了固态物理小组,开始进行当时最先进的半导体晶体管的研发工作。一开始肖克利的研究工作遇到了难以克服的障碍。倒是他的同事约翰·巴丁(John Bardeen)发现,半导体的导电特性跟材料表面的状态有很大关系,于是调整了研究方向。在经过两年多的摸索后,1947年12月,巴丁和实验室同事瓦尔特·布拉顿(Walter Brattain)成功地开发出了具备信号放大功能的点接触晶体管,成为第一个成功的晶体管技术。后来因为这一成果,巴丁、布拉顿和肖克利三人在1956年分享了诺贝尔物理学奖。

在发明了点接触晶体管后,贝尔实验室出现了一段小插曲,肖克利的情商弱点也因此暴露。尽管巴丁和布拉顿的发明是在肖克利的领导下,根据肖克利的场效应管基础理论研制出来的,但是贝尔实验室的律师在为这一技术申请专利时,发现已经有别人根据肖克利的场效应管理论在加拿大申请了相关的专利。出于避免与竞争对手公司陷入知识产权官司的考虑,贝尔实验室申请的专利中只提到了巴丁发现的固体表面现象,没有提到肖克利的发明,也没有加上肖克利的名字。这一决定让肖克利大为恼火,因为他认为自己才是这一技术的主要发明人,甚至一度要求律师在专利上只写自己的名字。尽管贝尔实验室在向媒体宣传这一技术成果时,一直把他的名字放在其他两个人的前面,但是他还是愤愤不平,坚持要媒体只用他的名字作为唯一发明人。后来在研制PN结型晶体管时,他开始阻挠巴丁和布拉顿从事这一方向的研究工作,结果这两个人在发明了点接触二极管后不到一年便都改变了研究方向。巴丁不得不转为研究超导体并在1951年离开贝尔实验室[20],布拉顿则被分到了另一个研究小组。

1950年,肖克利倾注若干年心血的专著《半导体中的电子和空穴》(Electrons and Holes in Semiconductors)终于完成并发表,成为后来半导体产业的行业圣经。一年后41岁的肖克利成功地发明了PN结型晶体管技术。该项技术后来通过美国电话电报公司的大力推广,成为半导体芯片制造产业的核心技术。他在同一年也当选为美国科学院院士,成为最年轻的院士之一。不过肖克利过度膨胀的自我意识和强硬的管理风格不光逼走了巴丁和布拉顿,也得罪了他的项目小组中的很多人,这使得他本人因为嫉贤妒能和不善管理的名声没能进入公司的高层。面对自己在学术界和企业界的显赫名声和在贝尔实验室内部的不得志,肖克利逐渐萌生去意,有了回老家自己开创公司的想法。于是在1953年,他请求离职去他的母校加州理工大学做一段时间的访问教授。借此契机,他获得了朋友的资助,创立了后来成为硅谷芯片制造产业鼻祖的肖克利半导体公司,对此我们后面将有更详细的描述。

通常一项基础发明的潜在应用是很广泛的,而发明人往往很难意识到它所有的用途。于是最好的办法是通过授权的方式将其提供给整个社会,让其他人在此基础上进行研究和开发。1951年肖克利的研究小组成功地开发出PN结型晶体管技术后,拥有这项专利的美国电报电话公司采取了这种授权开发的正确策略,在一年不到的时间内将此项技术授权给了30多家公司。后来要求获得授权的公司越来越多,1960年末达到几百家,其中有美国公司,也有一部分来自西欧的公司。获得授权后,IBM、德州仪器(Texas Instrument)、通用电气(GE)、国家收银机(NCR)等公司很快开始将晶体管技术应用到了计算机的研制和生产上。在此背景下,当时还在麻省理工学院的DEC公司的两个创始人开始考虑用晶体管替代真空管制造新的计算机的可能性。

创立于1957年的DEC从公司开创的背景到产品开发路线再到最后的归宿,都跟后来的很多计算机以及网络创业公司非常类似。它的两个创始人肯·奥尔森(Ken Olsen)和哈伦·安德森(Harlan Anderson)都在为赛奇项目而设的麻省理工学院的林肯实验室工作,他们参与开发了旋风和赛奇两大系统。这些经历使得他们非常熟悉交互式计算机的设计原理。因为交互式系统将大量的机时耗费在与人互动的等待过程中,这对每月花几十万美元租赁大型机的公司来说得不偿失,所以当时计算机市场的主流产品并不是交互式系统。但是交互式系统在非商业领域却有很大的需求,比如当时麻省理工学院的很多学生宁愿使用比较慢的交互式系统来处理他们的数据也不愿使用更快的IBM计算机。这些经验和观察给了DEC的两个创立人足够的信心来开发交互式计算机,开辟新市场。奥尔森他们研制的第一个机型基本沿袭旋风计算机的硬件逻辑设计,只是将旋风的5000多个真空管改为晶体管,这就是TX-0号晶体管计算机。TX-0成功运行后,他们开始尝试开发更强大的TX-1型计算机。但是因为设计规模过于庞大,后来缩减为TX-2型。在研制TX-2型的过程中,奥尔森和安德森开始四处筹集资金,准备成立自己的公司。

不久,他们遇到了创投公司美国研发公司(American Research and Development Corporation),后者以7万美元的投资和200万美元的贷款获取了他们70%的股份。美国研发公司是1946年成立的为二战退伍士兵创业提供资金的私人募股创投公司,也是美国最早接受公共入股的创投公司。在这之前的创投公司都是以富豪私人投资为主,而美国研发公司则以公开入股的形式,让普通人也可以通过购买股权注资。该公司的创始人是美国创投公司的祖师爷,曾创建了欧洲工商管理学院的乔治·多里奥特(George Doriot),另外两位合伙人是曾任波士顿联邦储备银行行长和佛蒙特州参议员的拉尔夫·弗兰德斯(Ralph Flanders)和麻省理工学院的第九任校长康普顿(Karl Taylor Compton)。除了投资给DEC外,多里奥特还建议奥尔森和安德森把公司的名字从“数字计算机公司”(Digital Computer Corporation)改成“数字设备公司”(Digital Equipment Corporation),因为当时很多人觉得投资计算机公司风险太大,用前面的名字会吓跑潜在的投资者。另外,后一个名字也包含生产计算机部件的意思,所以这个小公司以后既可以生产交互式计算机也可以为其他计算机公司提供晶体管部件,使得市场策略更加灵活,于是DEC这个名称就正式定下来[9]。

投资规模和发展方向都决定了DEC与IBM走上了两条不同的发展道路。因为投资规模小,DEC以生产晶体管计算机的核心部件为主,把外围部件留给用户自己解决。而且DEC的商业模式销售计算机主要部件,然后通过提供详细的技术手册,让用户最大限度地按照自己的需求来装配和使用DEC提供的计算机。这种模式适合对计算机技术有相当了解的用户,而大学、研发机构以及一些计算机发烧友恰恰是这种用户。于是DEC的计算机产品和文化熏陶了一批大学学生,衍生出了后来20世纪60年代的黑客(Hacker)文化,并推动70年代的个人计算机市场发展[21]

DEC专注的是以晶体管为基础部件的交互式计算机市场,其运算速度虽然比IBM的大型机慢,但对很多以交互式使用为主的用户来说不是问题。问题的关键是这类用户无法承受商业用户对计算机的投资成本,所以DEC的计算机如果想要拓展市场的话,必须在价格上有竞争力,而要在价格上有竞争力,就要在设计上节省成本。在这一问题上,DEC选择了尽量用软件替代硬件功能的策略,这样牺牲了一部分效率但降低了成本,这个选择成为大型机与小型机以及后来个人计算机架构设计上的一个主要区别。(www.daowen.com)

DEC的软件替代硬件主要表现在硬件的字节长度方面。IBM的大型机字节一般至少是32位,而DEC最初的小型机字节只有12位(后来的英特尔系列处理器字节稍长一些,固定为16位)。字节贯穿计算机信息处理的几个关键步骤,包括数据的存储、计算和寻址。长的字节跟高的带宽类似,可以在相同时间内更快速地处理数据,而短的字节在这些方面则需要通过软件方法进行转换。简单地讲,一个9位数的整数,如果用32位字节的计算机来存储,就可以直接从一个地址上读取;而如果用16位字节的计算机来存储,因为字节长度不够,就需要至少两次从不同地址读取。这些转换过程导致了软件复杂度增加,而且运算速度也相应减慢。但是由于摩尔定律的作用,中央处理器速度的提高和成本的降低足够弥补这方面的不足。

20世纪50年代末到60年代初,计算机硬件部分,尤其是中央处理器和磁芯内存,占了计算机生产成本的大头,所以DEC通过简化设计可以将一台计算机的硬件成本控制在一万美元以内。另外,它还研究出了一套使用晶体管组装计算机的标准化生产过程,可以通过机器自动装配,这样在提高效率的同时,也减少了人工操作的误差。还有很重要的一点,DEC将大型机一般必备的数据处理通道(相当于第二个CPU,主要是管理数据的输入输出)拿掉,让内存可以与外围设备直接交换数据,创新出了“直接内存访问”(DMA)这一功能,这意味着一台DEC计算机的价格仅仅相当于一台大型机数据处理通道的成本。这一系列努力使得DEC能够不断降低生产成本。1959年DEC推出的第一款小型机PDP-1的售价是12万美元,而1965年推出的后来最流行的PDP-8的市场售价已经降到2.5万美元以下。

从20世纪60年代到80年代,DEC研制生产的PDP系列小型机对分布式计算电子商务产业影响巨大。它的PDP-7机型催生了后来分布式计算的操作系统鼻祖UNIX。

UNIX操作系统的诞生是黑客文化的早期主要成果之一。1965年,麻省理工学院、通用电气和贝尔实验室的研究人员为GE-645大型机联合开发过一套结构化的分时计算机操作系统。该项目开发出来的Multics操作系统因为没能达到预期的性能而被搁置,后来随着通用电气退出计算机市场,这套操作系统和设备被一同卖给了霍尼韦尔公司。

尽管尝试失败,Multics的很多新颖设计使得贝尔实验室的肯·汤普森(Ken Thompson)、丹尼斯·里奇(Dennis Ritchie)和布莱恩·柯尼汉(Brian Kernighan)等几位早期研发人员舍不得轻易放弃他们的努力。1969年,这几个人开始在Multics的基础上设计一种更先进的操作系统,而且向贝尔实验室的管理层提交了立项的报告。贝尔实验室管理层一开始对这一提议持保留态度,因为投资新的操作系统研究不但意味着需要大型机研究等大量投资,而且操作系统并不是贝尔实验室的主要科研方向,于是这一提案被管理层搁置起来。大概在同一时间,汤普森准备把他在实验室的GE635大型机上利用闲暇时间编写的一个小游戏“太空旅行”移植到一台PDP-7小型机上。因为在GE635上每次运行这个程序需要花费75美元的机时,而那台大家不太用到的小型机PDP-7不但有非常好的显示器,机时也可以不计。

在移植游戏编码的过程中,他们因为游戏安装的需要而设计了一套基于PDP-7的文件处理系统。很快他们发现其实可以在此基础上为PDP-7编写一个分时操作系统,于是他们花了几个星期的时间讨论了操作系统内核、用户界面、文件编辑器和编译器等主要组成部分,然后用汇编语言将它们一一实现。当可以在PDP-7上成功运行他们的操作系统时,大家意识到PDP-7很快就将被淘汰,于是他们决定将这一操作系统移植到DEC推出的PDP-11上并向管理层提出花6.5万美元购买一套PDP-11计算机系统。这次立项要求得到了贝尔实验室管理层的认可,因为在贝尔实验室和它的母公司美国电话电报公司的很多部门都在使用PDP计算机,有了操作系统可以使软件的设计和更新更加方便,而且这一新的操作系统还有一定的商业潜力。

柯尼汉给他们设计的操作系统起了与“Multics”意思“相反”的“UNIX”的名字。立项后,汤普森决定使用高级语言来重新编写UNIX操作系统,因为这样可以将操作系统比较方便地移植到其他计算机上。一开始他试图用FORTRAN来编写,当发现FORTRAN不好用时,干脆就编写了一个简单的B语言,试图用B语言来解释执行新的操作系统,但是这种方式执行起来比较慢,而且是以字为单元,这与PDP-11的以字节为单元不匹配。于是里奇接手了改写工作,将其修改为后来的C语言。最终他们用C语言将UNIX操作系统重新编写了一遍,至此UNIX正式问世。

UNIX系统与同时代的其他操作系统相比有很多重要的创新,比如它采用了模块化设计和进程之间的管道连接。它的设计还遵循了认知工程原则,就是使用方式与使用者的直觉密切相关。1972年汤普森和里奇将UNIX用C语言重新编写好后,开始向计算机界积极宣传他们的新操作系统[10]。而UNIX系统后来的流行和影响除了与他们的努力有关外,还与1958年美国政府和美国电报电话公司的反垄断诉讼和解协议有着重要关联。因为这一协议中规定后者不许涉足计算机行业,因此公司不得不将UNIX操作系统的源代码免费授权给所有希望使用该代码的公司或者非盈利组织。正是利用这一条件,汤普森他们将UNIX源代码广为传播。其中最重要的一次传播发生在1976—1977年之间,汤普森利用半年的学术休假时间,来到他的母校加州伯克利大学以访问教授的身份开设了一门介绍UNIX操作系统的课程,并同时进一步将UNIX系统完善,成为后来的UNIX Version 6版。UNIX很快从加州伯克利大学传到美国其他大学。

1979年,加州伯克利大学的计算机教授罗伯特·法布里(Robert Fabry)开发出了一个新的UNIX版本(UNIX 3BSD)并获得了美国国防部高级规划署的资助,开发了适合阿帕网联网计算机使用的BSD版的UNIX。这一系列版本伴随着阿帕网和PDP计算机在美国大学的普及成为当时美国大学里最流行的计算机操作系统[22]

PDP系列的用户除了大学和研究机构之外,还有地处马塞诸塞州剑桥的BBN咨询公司(Bolt,Beranek and Newman Technologies,BBN),后者在20世纪60年代设计研发了互联网前身阿帕网的路由器。70年代微软的两个创始人比尔·盖茨(Bill Gates)和保罗·艾伦(Paul Allen)在PDP-10上编写了BASIC编译器,成为他们日后创立微软帝国的起点。甲骨文公司的创始人拉里·埃里森(Larry Ellison)等人则是通过开发运行在PDP-11上的关系数据库而获得了第一份合同。

不过DEC所涉足的小型计算机领域注定了它在电子商务的发展历史上起到的将是一个承前启后的角色。PDP系列在个人计算机出现后就逐渐被功能日益强大的工作站计算机所取代。而DEC从20世纪90年代中期开始走上了下坡路。为了应对公司不断恶化的财务状况,DEC的各种软件和硬件的知识产权被不断出售给其他公司。1998年,DEC剩下的全部资产被康柏公司收购。值得一提的是,DEC的西部研究中心所开发的第一代搜索引擎远景曾经是互联网最强大的搜索引擎,也是第一个对整个互联网网页进行索引的搜索引擎。很多参与远景研制的DEC工程师后来都跳槽去了刚刚出现的谷歌公司。遗憾的是,DEC的高层并没有意识到互联网和远景的重要性,否则电子商务的历史或许会重写。

交互式计算机系统和晶体管技术是DEC兴起的基础,也导致其后来的衰败。与IBM和其他大型机公司走的大而全的发展方向不同,DEC选择的是小而简的产品开发策略,不过DEC和IBM都没能预见到工作站和个人计算机市场在20世纪80年代的崛起。DEC甚至没能像IBM那样,对这一趋势做出迅速反应,及时调整战略,最终导致被收购的命运。

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