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羅馬帝國一分為二,對人類文明是件好事?│《電腦簡史》 齒輪時代(六)

張瑞棋_96
・2020/03/30 ・2532字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 501 ・六年級

一位黎巴嫩人手上幾塊老舊的金屬片,組合成前所未聞的日晷儀,其中竟有安提基瑟拉儀的身影?這是否代表希臘的機械智慧流傳到拜占庭帝國?在歐洲陷入黑暗時代之際,希臘文化因而有個棲息之地,等待傳承……。

本文為系列文章,上一篇請見:亞歷山卓慘遭天災人禍,希臘學術面臨存亡危機?!│《電腦簡史》 齒輪時代(五)

1983年,一個黎巴嫩人走進英國的倫敦科學博物館,拿出幾塊老舊的金屬片,聲稱是他在貝魯特跟路邊小販買來的古物,試圖向館方兜售。館方將金屬片交給研究員邁可·賴特 (Michael T. Wright) 鑑定真偽。他原本是機械工程師,從小就喜歡拆解組裝各種機器,對於歷史上的各種機械裝置如數家珍,由他負責這項任務再適合不過。

賴特很快辨識出其中一塊金屬片是日晷的盤面。日晷是一種很古老的計時裝置,是用影子的變化標示時辰,很早之前就出現東西方的古文明。日晷的構造很簡單,通常就是一塊畫有時辰刻度的盤面,盤面上立著稱為「晷針」的突起物。隨著太陽東昇西落,晷針落在盤面上的影子也跟著移動,看影子落在刻度何處,便知道目前時刻。

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賴特注意到這片日晷盤面上刻著許多古希臘銘文,其中「君士坦丁堡」 (Constantinople) 這個字馬上引起他的注意,這是東羅馬帝國的首都。他再仔細端詳,又認出好幾個銘文,都是當時的城市名稱。他不禁猜想:這幾個金屬片也許真的是出自東羅馬帝國的古物。不過令賴特感到疑惑的是,日晷盤面的背面多了兩個齒輪,還有另外幾塊金屬零件是做什麼用的?如果這些零件也是日晷的一部分,那麼這個齒輪裝置將是某種前所未見的天文儀器。

黎巴嫩人向倫敦科學博物館兜售的金屬零件。圖\Science Museum Group

拜占庭日晷儀成功復原,安提基瑟拉儀技術重現

根據賴特的同事考證,這些金屬片的確是東羅馬帝國的產物,年代約在西元 520 年左右。賴特也成功把它們還原組合成一台儀器;他發表的論文題目就直接道出它的用途:《來自拜占庭的齒輪:一台有日曆齒輪的可攜式日晷》(因為君士坦丁堡以前叫拜占庭,所以東羅馬帝國又稱拜占庭帝國),果然是前所未聞的日晷儀。

這台拜占庭日晷儀除了像一般日晷那樣,以影子顯示目前時辰,使用者還可以轉動把手帶動齒輪,顯示某一日期太陽和月亮在黃道帶的位置、以及月亮的圓缺。這些設計與安提基瑟拉儀有許多相似之處,事實上它也是現存第二古老的齒輪計時裝置,僅次於安提基瑟拉儀。(賴特因為這樣的機緣,而開始埋首於安提基瑟拉儀的重建。如今我們見到的復原模型,多要歸功於他。)

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拜占庭日晷儀與安提基瑟拉儀的關聯性,證明了古希臘的齒輪技術,並未隨著西羅馬帝國滅亡而湮滅,至少有傳承至東羅馬帝國。但是,既然前面說羅馬帝國時期,希臘學術只集中在亞歷山卓這座城市,沒有散布到境內其它地方,那麼東羅馬帝國如何習得齒輪技術?

這得從羅馬帝國分裂成東西兩個帝國說起。

君士坦丁大帝結束羅馬帝國的四帝共治,一統羅馬,並遷都拜占庭。圖\publicdomainpictures

君士坦丁遷都拜占庭,希臘古城變政治中心

西元 324 年,君士坦丁大帝 (Constantine) 成為羅馬帝國皇帝後,決定將首都遷到拜占庭,改名「新羅馬」。這裡位於歐亞交界,比羅馬更接近帝國的地理中心,他認為這樣更能有效管理遼闊的領土。不過到了 395 年,當時的皇帝狄奧多西一世 (Theodosius I) 去世前,卻將帝國切成東西兩半,分給兩個兒子繼承。羅馬帝國從此分裂為東羅馬帝國與西羅馬帝國;西羅馬帝國恢復羅馬為首都,東羅馬帝國的首都則維持在新羅馬,不過將名稱改為君士坦丁堡。

拜占庭在還沒成為首都以前,原本是希臘古城,保有許多希臘典籍。即使改朝換代,名稱改為新羅馬、再變成君士坦丁堡,仍然一直維持希臘文化,而且成為新的政治中心,反而帶來更多學者。自七世紀開始,東羅馬帝國改以希臘語取代拉丁語,作為官方語言,更有助於希臘文明的傳承。

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其實歐洲之所以進入將近千年的「黑暗時代」,也不能完全歸咎於日耳曼蠻族。早在羅馬帝國滅亡之前,希臘學術思想就已經受到基督教會的摧殘了。

前面講過三世紀的天災人禍造成社會動亂,人民生活更加困苦。然而,羅馬貴族卻仍然坐享其成,過著奢豪荒淫的生活。隨著不公不義日益加劇,以平等公義為訴求的基督教大受民眾歡迎,信徒越來越多。到了 393 年,狄奧多西一世宣布基督教為國教,基督教的地位從此定於一尊,原來希臘羅馬的多神信仰反而被視為異端,許多神廟與書籍也遭焚毀。

羅馬教會箝制思想,希臘學術等待傳承

羅馬帝國分裂後,羅馬教會不但沒有隨著西羅馬帝國滅亡而垮台,反而勢力越來越大。這是因為日耳曼蠻族雖然成為新的統治者,但他們畢竟仍是少數的外來異族,為了預防人民起義叛變,必須塑造統治的正當性。因此各個王國的君主便入境隨俗,也都改信大多數民眾信奉的基督教,並且行禮如儀的接受教宗加冕,以象徵自己的王位已經得到上帝的認可。羅馬教會給予君王「君權神授」的認證,君王也回報予以教會更多權力,讓教會更深更廣地掌控人民的生活。

為了鞏固人民的信仰,羅馬教會將聖經的詮釋權抓在手上,任何有違正統教義的思想往往被視為異端,遭受刑罰。於是,原本就已逐漸凋零的希臘學術思想,更沒有生存的空間,最後終於完全失傳,歐洲因此才陷入「黑暗時代」長達千年之久。

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羅馬教會排除異教思想,使希臘文化岌岌可危。圖\publicdomainpictures

相對地,君士坦丁堡的教會對學術思想採取較寬容的態度,東羅馬帝國境內的希臘文化遺產才得以留存。除了拜占庭日晷儀這類的天文儀器,自動機器也在此發揚光大。根據十世紀義大利的一位主教自述,他於 949 年造訪君士坦丁堡時,在皇宮見到皇帝的寶座會自動升降;宮廷內還有一株金屬打造的樹,枝頭上有機器小鳥振翅鳴叫,樹下還有機器雄獅踱步低吼。

只可惜,這些自動機器都已失傳,無論實物或設計圖都沒流傳下來,就連發明者是誰也不可考。從現有的史料也無從得知,君士坦丁堡是否曾像亞歷山卓那樣,培育出傑出的希臘學者。無論這些無名英雄是誰,希臘學術的薪火的確在拜占庭帝國保存下來,等待接棒。而接過這把火炬,將希臘先哲的智慧結晶發揚光大的,將是另一個語言、宗教、文化都大相逕庭的異族——阿拉伯帝國。

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張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 1015 位粉絲
1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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地震之島的生存法則!921地震教育園區揭開台灣的防災祕密
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/09/20 ・4553字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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為什麼台灣會像坐在搖搖椅上,總是時不時地晃動?這個問題或許有些令人不安,但卻是我們生活在這片土地上的現實。根據氣象署統計,台灣每年有 40,000 次以上的地震,其中有感地震超過 1,000 次。2024年4月3日,花蓮的大地震發生後,台灣就經歷了超過 1,000 次餘震,這些數據被視覺化後形成的圖像,宛如台北101大樓般高聳穿雲,再次引發了全球對台灣地震頻繁性的關注。

地震發生後,許多外國媒體擔心半導體產業會受影響,但更讓他們稱奇的是,台灣竟然能在這麼大的地震之下,將傷害降到這麼低,並迅速恢復。不禁讓人想問,自從 25 年前的 921大地震以來,台灣經歷了哪些改變?哪些地方可能再發生大地震?如果只是遲早,我們該如何做好更萬全的準備?

要找到這些問題的答案,最合適的地點就在一座從地震遺跡中冒出的主題博物館:國立自然科學博物館的 921地震教育園區。

圖:跑道捕捉了地震的瞬間 / 圖片來源:劉志恆/青玥攝影

下一個大地震在哪、何時?先聽斷層說了什麼

1999年9月21日凌晨1點47分,台灣發生了一場規模7.3的大地震,震央在南投縣集集鎮,全台 5 萬棟房子遭震垮,罹難人數超過 2,400 人。其中,台中霧峰光復國中校區因車籠埔斷層通過,地面隆起2.6公尺,多棟校舍損毀。政府決定在此設立921地震教育園區,保留這段震撼人心的歷史,並作為防災教育的重要基地。園區內兩處地震遺跡依特性設置為「車籠埔斷層保存館」和「地震工程教育館」。

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車籠埔斷層保存館建於原操場位置,為了保存地表破裂及巨大抬升,所以整體設計不採用樑柱結構,而是由82根長12公尺、寬2.4公尺、重約10噸的預鑄預力混凝板組成,外觀為曲線造型,技術難度極高,屬國內外首見,並榮獲多項建築獎。而地震工程教育館保留了原光復國中受損校舍,讓民眾親眼見證地震的驚人破壞力,進一步強調建築結構與安全的重要性。毀損教室旁設有由園區與「國家地震工程研究中心」共同策劃的展示館,透過互動展示,讓參觀者親手操作,學習地震工程相關知識。

國立自然科學博物館地質學組研究員蔣正興博士表示,面積上,台灣是一個狹長的小島,卻擁有高達近4000公尺的山脈,彰顯了板塊激烈擠壓、地質活動極為活躍的背景。回顧過去一百年的地震歷史,從1906年的梅山地震、1935年的新竹-台中地震,到1999年的921大地震,都發生在台灣西部,與西部的活動斷層有密切關聯,震源位於淺層,加上人口密度較高,因此對台灣西部造成了嚴重的災情。

而台灣東部是板塊劇烈擠壓的區域,地震震源分佈更廣。與西部相比,雖然東部地震更頻繁,但由於人口密度相對較低,災情相對較少。此外,台灣東北部和外海也是地震多發區,尤其是菲律賓海板塊往北隱沒至歐亞板塊的隱沒地震帶,至沖繩海槽向北延伸,甚至可能影響到台北下方,發生直下型地震,這種地震因震源位於城市正下方,危害特別大,加上台北市房屋非常老舊,若發生直下型地震,災情將非常嚴重。

除了台北市,蔣正興博士指出在台灣西部,我們特別需要關注的就是彰化斷層的影響,該斷層曾於1848年發生巨大錯動。此外,我們也需要留意西南部的地震風險,如 1906 年的梅山地震。此兩條活動斷層距今皆已超過 100 年沒活動了。至於東部,因為存在眾多活動斷層,當然也需要持續注意。

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我們之所以擔心某些斷層,是因為這些區域可能已經累積了相當多的能量,一旦達到臨界點,就會釋放,進而引發地震。地質學家通常會沿著斷層挖掘,尋找過去地震的證據,如受構造擾動沉積物的變化,然後透過定年技術來確定地震發生的時間點,估算出斷層的地震週期,然而,這些數字的計算過程非常複雜,需要綜合大量數據。

挑戰在於,有些斷層的活動時間非常久遠,要找到活動證據並不容易。例如,1906年的梅山地震,即使不算久遠,但挖掘出相關斷層的具體位置仍然困難,更不用說那些數百年才活動一次的斷層,如台北的山腳斷層,因為上頭覆蓋了大量沉積物,要找到並研究這些斷層更加困難。

儘管我們很難預測哪個斷層會再次活動,我們仍然可以預先對這些構造做風險評估,從過往地震事件中找到應變之道。而 921 地震教育園區,就是那個可以發現應變之道的地方。

圖:北棟教室毀損區 / 圖片來源:劉志恆/青玥攝影

921 後的 25 年

在園區服務已 11 年的黃英哲擔任志工輔導員,常代表園區到各地進行地震防災宣導。他細數 921 之後,台灣進行的六大改革。制定災害防救法,取代了總統緊急命令。修訂了建築法規,推動斷層帶禁限建與傳統校舍建築改建。組建災難搜救隊伍,在面對未來災害時能更加自主應對。為保存文化資產,增設了歷史建築類別,確保具有保存價值的建築物得到妥善照料。

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最後,則是推行防災教育。黃英哲表示,除了在學校定期進行防災演練,提升防災意識外,更建立了921地震教育園區,不僅作為教育場所,也是跨部門合作的平台,例如與交通部氣象署、災害防救辦公室、教育部等單位合作,進行全面的防災教育。園區內保留了斷層線的舊址,讓遊客能夠直觀地了解地震的破壞力,最具可看性;然而除此之外,園區也是 921 地震相關文物和資料的重要儲存地,為未來的地震研究提供了寶貴的資源。

堪稱園區元老,在園區服務將近 19 年,主要負責日語解說工作的陳婉茹認為,園區最大的特色是保存了斷層造成的地景變化,如抬升的操場和毀壞的教室場景,讓造訪的每個人直觀地感受地震的威力,尤其是對於年輕的小朋友,即使他們沒有親身經歷過,也能透過這些真實的展示認識到地震帶來的危險與影響。

陳婉茹回憶,之前有爸媽帶著小學低年級的小朋友來參觀,原本小朋友並不認真聽講,到處跑來跑去,但當他看到隆起的操場,立刻大聲說這他在課本看過,後來便聚精會神地聽完 40 分鐘的解說。

圖:陳婉茹在第一線負責解說工作 / 圖片來源:921地震教育園區

除了每看必震撼的地景,園區也透過持續更新策展,邀請大家深入地震跟防災的各個面向。策展人黃惠瑛負責展示設計、活動規劃、教具設計等工作。她提到,去年推出的搜救犬特展和今年的「921震災啓示展」與她的個人經歷息息相關。921 大地震時的她還是一名台中女中的住宿生,當時她儘管驚恐,依舊背著腿軟的學姊下樓,讓她在策劃這些展覽時充滿了反思。

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在地震體驗平臺的設計中,黃惠瑛強調不僅要讓觀眾了解災害的破壞力,更希望觀眾能從中學到防災知識。她與設計師合作,一樓展示區採用了時光機的概念,運用輕鬆、童趣的風格,希望遊客保持積極心態。二樓的地震體驗平臺結合六軸震動臺和影片,讓遊客真實感受921地震的情境。她強調,這次展覽的目標是全民,設計上避免了血腥和悲傷的元素,旨在讓觀眾帶著正向的感受離開,並重視防災意識。

圖:地震體驗劇場 / 圖片來源:921地震教育園區

籌備今年展覽的最大挑戰是緊迫的時間。從五月開始,九月完成,為了迅速而有效地與設計師溝通,黃惠瑛使用了AI工具如ChatGPT與生成圖像工具,來加快與設計師溝通的過程。

圖:黃惠瑛與設計師於文件中討論設計/ 圖片來源:921地震教育園區

蔣正興博士說,當初學界建議在此設立地震教育園區,其中一位重要推手是法國地質學家安朔葉。他曾在台灣指導十位台灣博士生,這些博士後來成為地質研究的中堅力量。1999年921大地震後,安朔葉教授立刻趕到台灣,認為光復國中是全球研究斷層和地震的最佳觀察點,建議必須保存。為紀念園區今年成立20週年,在斷層館的展示更新中,便特別強調安朔葉的貢獻與當時的操場圖。

此外,作為 20 週年的相關活動,今年九月也將與日本野島斷層保存館簽署合作備忘錄(MOU),強化合作並展示台日合作歷史。另一重頭戲則是向日本兵庫縣人與自然博物館主任研究員加藤茂弘致贈感謝狀,感謝他不遺餘力,長期協助園區斷層保存館的剖面展品保存工作。

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右圖:法國巴黎居禮大學安朔葉教授。左圖:兵庫縣立人與自然博物館主任研究員加藤茂弘
/ 圖片來源:921地震教育園區

前事不忘,後事之師

盡力保存斷層跟受創校舍,只因不想再重蹈覆徹。蔣正興博士表示,921地震發生在車籠埔斷層,其錯動形式成為全球地質研究的典範,尤其是在研究斷層帶災害方面。統計數據顯示,距離車籠埔斷層約100公尺內,住在上盤的罹難率約為1%,而下盤則約為0.6%。這說明住在斷層附近,特別是上盤,是非常危險的。由於台灣主要是逆斷層活動,這一數據清楚告訴我們,在上盤區域建設居住區應特別小心。

2018年花蓮米崙斷層地震就是一個例證。

在921地震後,政府在斷層帶兩側劃設了「地質敏感區」。因為斷層活動週期較長,全球大部分地區難以測試劃設敏感區的有效性,但台灣不同,斷層活動十分頻繁。例如 1951 年,米崙斷層造成縱谷地震,規模達 7.3,僅隔 67 年後,在 2018 年再次發生花蓮地震,這在全球是罕見的,也因此 2016 年劃設的地質敏感區,在 2018 年的地震中便發現,的確更容易發生地表破裂與建築受損,驗證了地質敏感區劃設的有效性。

圖:黃英哲表示曾來園區參訪的兒童寄來的問候信,是他認真工作的動力 / 圖片來源:921地震教育園區

在過去的20年裡,921地震教育園區不僅見證了台灣在防災教育上的進步,也承載著無數來訪者的情感與記憶。每一處地震遺跡,每一項展示,都在默默提醒我們,那段傷痛歷史並未走遠。然而,我們對抗自然的力量,並非源自恐懼,而是源自對生命的尊重與守護。當你走進這座園區,感受那因地震而隆起的操場,或是走過曾經遭受重創的教室,你會發現,這不僅僅是歷史的展示,更是我們每一個人的責任與使命。

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來吧,今年九月,走進921地震教育園區,一起在這裡找尋對未來的啓示,為台灣的下一代共同築起一個更堅固、更安全的家園。

圖:今年九月,走進921地震教育園區 / 圖片來源:劉志恆/青玥攝影

延伸閱讀:
高風險? 家踩「斷層帶、地質敏感區」買房留意
「我摸到台灣的心臟!」法國地質學家安朔葉讓「池上斷層」揚名國際
百年驚奇-霧峰九二一地震教育園區|天下雜誌

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改變在一「矽」之間——半導體的誕生│《電腦簡史》數位時代(十六)
張瑞棋_96
・2021/04/05 ・6669字 ・閱讀時間約 13 分鐘 ・SR值 542 ・八年級

本文為系列文章,上一篇請見:邁向商用化——電腦產業的形成│《電腦簡史》數位時代(十五)

真空管的先天缺陷:易報銷

二次大戰後,電腦全面使用真空管後,速度大幅提升,隨著需要大量計算的企業越來越多,電腦前景看似一片光明。不過當電腦上線運作後,真空管的先天缺陷終於曝露出來,嚴重阻礙電腦產業的發展。

真空管是靠加熱極細的燈絲而產生游離電子,電子被吸引至做為正極的金屬片而產生單向電流。由於燈絲與電極都會逐漸耗損,真空管的壽命原本就不長;即使是特別為電腦生產的真空管,在正常狀況下也不過能用兩千個小時。更何況在進行高速運算時,真空管不斷開開關關,燈絲很容易因此燒斷而提早報銷。

真空管二極體的構造。圖:Wikipedia

一部電腦至少有幾千個真空管,只要有一、二個壞掉,就會影響整體電路的運作。以 UNIVAC 為例,平均故障間隔 (MTBF, Mean Time Between Failures) 的時間不超過 24 小時;美軍的 ENIAC 用的真空管超過一萬七千個,MTBF 更是只有 12 小時。而一旦發生問題,要排除故障也相當耗費時間,平均得花幾個小時才能找出損壞的真空管,予以更換。

電腦如果動不動就得停機檢修,不僅效益大打折扣,還會影響正常作業,誰想花大錢購置電腦卻惹來內部抱怨連連。可靠性的問題沒有解決,電腦就難以獲得全面採用,只是真空管的物理特性就是如此,能再改善的空間有限,只能期待全新的電子元件出現。

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如今我們知道,這革命性的電子元件就是電晶體。它不僅解決了可靠性的問題,而且大幅降低成本、縮小體積、提升速度,讓電腦改頭換面,並催生出各種電子產品,人類文明從此邁入新紀元。電晶體之所以能帶來革命性的改變,乃因它是奠基於一種革命性的材料——半導體。要知道電晶體如何發明,得先知道什麼是半導體。

半導電性:導體與絕緣體之間

顧名思義,半導體就是具有半導電性的物體。但何謂半導電性?

我們知道不同元素有不同電子數,以原子核為核心,由內而外分布於不同殼層。越外層的電子能量越高,其中最外層的電子稱為「價電子」,所處的能階稱為「價帶」。價電子仍被束縛在原子內,所以無法導電,必須獲得能量躍遷到「傳導帶」才能導電。傳導帶與價帶的能量差距稱為「能隙」,導電性便取決於能隙的大小。

金屬的能隙非常小,甚至傳導帶與價帶有部分重疊,所以導電性很高;反之,絕緣體的能隙很大,價電子無法跨越,因此無法導電。半導電的能隙則介於金屬與絕緣體之間。

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三種不同導電性。圖:Wikipedia

能隙的大小與價電子的個數有關。每個殼層可容納的電子數都有上限,當價電子殼層越接近填滿狀態,就越穩定,需要越多能量才能激發價電子跳到傳導帶;當價電子越少,就越容易脫離束縛,跑到傳導帶。

金屬的價電子通常不超過 3 個(過渡金屬除外),很容易形成自由電子,到處移動。絕緣體通常有 5 個或以上的價電子。碳、矽、鍺、錫、鉛等 IV 族元素有 4 個價電子,剛好是半滿狀態,導電性介於導體與絕緣體之間,屬於半導體。

IV 族元素如果摻雜其它元素,導電性也會跟著改變。例如把磷摻到矽裡面,因為磷有 5 個價電子,其中 4 個與矽共用後,還多一個價電子,就更容易跑到傳導帶成為自由電子,這種半導體稱為 n 型 (n 代表 negative)。

矽如果摻的是有三個價電子的硼,只差一個價電子就是最穩定的狀態,猶如有個「電洞」讓經過的電子落入陷阱。旁邊的電子掉進這個電洞後又產生一個新的電洞,形成骨牌效應,從另一個角度看,就像是帶正電的電洞會移動一樣,因此稱為 p 型半導體 (p 代表 positive)。

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偶然發現半導體

除了摻雜,化合物也可能形成半導體。半導體最早被發現,就是與 IV 族元素無關的化合物。1833 年,法拉第有一次在做電力實驗時,無意間將燈火靠近硫化銀,結果發現導電能力竟然大增;一旦移走燈火,導電性又隨著溫度下降而降低。一般金屬在高溫時,導電性會變差,硫化銀卻剛好相反,令法拉第大感訝異。

硫化銀就是一種半導體。高溫之所以增加半導體的導電性,是因為熱能會讓更多價電子躍遷到傳導帶,因此增加了導電性。一般金屬原本僅需一點能量就能產生自由電子,集體往正極方向移動。但電子如果吸收太多熱能,反而四處亂竄,原本的定向性受到破壞,導電能力也就隨之下降了。

法拉第雖然發現半導體這個特性,卻無法了解其中原理。畢竟當時距離道爾吞提出原子說還不到 30 年,是否有所謂的基本粒子仍頗受質疑,更無從想像原子內部還有電子與原子核。因此法拉第發表這個奇特的現象後,就不了了之,也沒有人想到在導體與絕緣體之外,還有一種半導體。下次半導體再度躍上檯面,已是四十年之後。

1874 年,才 24 歲的德國物理學家布勞恩 (Ferdinand Braun) 在研究各種硫化物的導電性時,將硫化鉛接上電,卻發現檢流計的指針紋風不動。他試著調換正負極,結果指針馬上就有反應。這實在太奇怪了,一個物體的導電性應該是一致的,怎麼會因為正負極不同接法,一下是絕緣體,一下又是導體?

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發現半導體具有單向導電性的布勞恩。圖:Wikipedia

單向導電性是半導體另一項重要特性。硫有 6 個價電子,所以硫化鉛是 n 型半導體,一般情況下,電子只能從硫化鉛往正極移動,才會從另一個方向測不到電流。同樣地,由於當時仍然不清楚原子的構造(湯姆森於 1897 年才發現電子),不知如何解釋這個奇特現象。

大家毫無頭緒,單向導電性又看不出有何用途,因此布勞恩發表實驗結果後,並沒有激起任何漣漪。半導體再次受到忽視,要等到赫茲於 1888 年發表無線電波的實驗後,硫化鉛這類的半導體礦石才引起大家的興趣。

接收無線電波

赫茲的實驗吸引很多人投入無線電波的研究,印度科學家博斯 (Jagadish Chandra Bose) 也是其中之一。他發現 IV 族元素的礦石不但有單向導電性,而且不遵守歐姆定律:電流與電壓成正比。當施予礦石的電壓小於某個臨界值時,電流微乎其微;一但超過臨界電壓,電流便突然大幅增加。

博斯想到可以利用這個特性偵測微弱的無線電波。只要先對接收裝置施以適當電壓,讓無線電波所產生的感應電壓恰好超過臨界電壓,電流便會出現明顯變化,就能如實呈現無線電波。

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1894 年,博斯將金屬天線的一端與硫化鉛的表面接觸,做成無線電偵測器(也稱「檢波器」),成功接收到一英哩之外的無線電波,這中間還隔了三道磚牆。

博斯發明的無線電收發器。圖:Wikipedia

馬可尼 (Guglielmo Marconi) 也在這一年發明無線電報系統,兩年後他和博斯在倫敦會面,不過博斯對商業應用不感興趣,並未與馬可尼合作。馬可尼也沒有採用博斯這個技術,而是利用感應電流產生的磁場變化,來吸引金屬屑或發出聲響,作為判斷電波的依據。

事實上,博斯自己後來也改用別種技術設計檢波器,因為礦石檢波器的確不是很靈光。礦石中的雜質分布並不均勻,不是每次用金屬線接觸硫化鉛表面都能形成迴路,往往得嘗試很多次才能找到「熱點」,得到訊號。

儘管如此,AT&T 的工程師匹卡德 (Greenleaf Pickard) 仍看好礦石檢波器的潛力,試圖找出收訊效果更好的礦石。

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1902 年,匹卡德檢測一塊礦石的熱點時,懷疑施加的電流造成背景雜訊太大,於是伸手拿掉部分電池,結果雜訊果然馬上消失,無線電的訊號變得清楚許多。這時他看了一眼器材,才發現他剛剛不小心把電池的接線弄掉了,也就是礦石檢波器竟然不需要電,就可以接收無線電。

這個奇妙的現象完全違背過去的認知,於是匹卡德更加專心研究還有哪些礦石不用電就可以當檢波器。他花了三、四年的時間測試上千種礦石,發現有 250 種可以做為天然檢波器,其中又以熔融後的矽(原本用來製造石英玻璃)收訊效果最佳。

礦石收音機

匹卡德進行實驗的這段期間,無線電也正在發展另一項應用:傳送聲音。當時電話已是成熟的技術,可以將聲音轉換為音頻訊號,但音頻是連續波形,無線電波卻是脈衝電波,因此只能靠長/短、有/無來代表摩斯密碼,無法傳送音頻訊號。

1900 年,加拿大發明家范信達 (Reginald Fessenden) 發明一種高速交流發電機,終於能產生連續波形的無線電波(稱為「載波」,波形為規律的正弦波)。

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原本規律的載波與音頻疊加後,變成起伏變化的無線電波,電波的振幅大小便代表音訊的變化。這種調變電波振幅的技術便稱為「調幅」(Amplitude Modulation, 簡稱AM),就是現在 AM 廣播所用的技術。

調幅示意圖。圖:Wikipedia

調幅無線電到了接收端,還得經過「解調」才能還原成原來的音訊。首先,由於天線接收無線電波後,所產生的感應電流也是交流電,因此必須先把反方向的電流去掉,成為單一方向的直流電;這個步驟便稱為「整流」。接著再濾掉其中的載波,留下的就是原來的音頻訊號。

范信達直到 1904 年才成功做出有整流功能的檢波器,並於 1906 年的聖誕夜成功發送 AM 廣播到大西洋上的美國軍艦。不過范信達所發明的檢波器不易製造,又常需要調校,只適合專業人士使用。而半導體的單向導電性恰好可以將交流電整流為直流電,這類礦石便可直接做為無線廣播的檢波器。

1906 年,匹卡德獲得矽石檢波器的專利,並在隔年創立公司,製造用耳機收聽的礦石收音機,銷售給一般大眾。由於價格低廉、體積小巧又不需要電,因此頗受歡迎。礦石收音機成為史上第一個半導體商品;誰會想到如今半導體與各種電子產品密不可分,但最早卻是以不用電為訴求。

匹卡德於1916年發明的矽石檢波器。圖:Wikipedia

三極真空管橫空出世

就在匹卡德於 1906 年申請專利這一年,美國專利局也收到另一項影響更深遠的專利申請,那就是由德佛瑞斯特 (Lee De Forest) 改良的新型真空管。

原本弗萊明 (John A. Fleming) 於1904 年發明的真空管只有正負兩極,德佛瑞斯特用金屬柵格擋在金屬片與燈絲之間,變成除了正、負極,還多了「柵極」(Grid) 的三極管

柵極用來控制電流大小。當柵極施以負電壓,產生的電場與電子相斥,部分電子便被擋下,無法抵達正極金屬片,電流也就變小了。負電壓越大,被擋下的電子越多,電流也就越小;柵極就像家裡的水龍頭,不用動到水管的閥門,就可以各自調節水流大小。

三極管在金屬片與燈絲之間多了金屬柵格。圖:Wikipedia

德佛瑞斯特原本設計三極管只是為了調節電流,他沒想到六年之後,這項設計竟被發掘出放大訊號的功能。

原本只有二極管時,若要調整電流大小,正極電壓就要有相對幅度的改變,就如前面水管的比喻,沒有水龍頭的話,只能從源頭閥門控制水量。例如要讓電流從 12 mA 減半降為 6 mA,電壓要從 110 V 降到 60 V;但若使用三極管,則無須改變正極電壓,只要對柵極施以 -2 V 的電壓就可以了。

三級管的電壓變化只需二級管的 1/25 ,便能達到同樣的效果(若搭配適當的阻抗,相差還能到百倍以上),就像水龍頭那樣,轉動一點點,出水量就差很多。如果讓柵極做為訊號的輸入端,正極做為輸出端,那麼原本微弱的訊號,就會放大成強烈的訊號。

有了三極管做為訊號放大器,無線電可以傳得更遠,收訊效果也更好,而且收音機還可以配上喇叭。隨著廣播電台自 1920 年代開始快速發展,真空管收音機也進入一般家庭,成為民眾重要的休閒娛樂與資訊來源。相對地,礦石收音機的收訊效果與方便性都遠遠不如,自然不受青睞,逐漸沒落。好不容易找到舞台的半導體於是又被棄置一旁,沒想到十幾年後,同樣是由來自 AT&T 的工程師,再度讓半導體起死回生。

德佛瑞斯特於1914年用三極管打造的訊號放大器。圖:Wikipedia

真空管搞不定短波

三極真空管有助於無線廣播,當然也有助於電話傳得更遠。 AT&T 利用真空管擴大電話網路,於 1915 年開通橫跨東西兩岸的長途電話。1927 年 1 月 7 日, AT&T 總裁進一步透過無線電波,從紐約打電話到倫敦,完成史上第一通越洋電話。不過這通電話只是試驗性質,真要提供越洋電話服務,還有項技術問題須要克服。

紐約與倫敦相隔甚遠,無線電波無法橫越地表弧度直接送達,必須經大氣的電離層反射到地面。然而一年四季、晴雨晨昏,大氣條件都不一樣,對電波的影響也大不相同。因此若要維持越洋電話全年暢通,通訊設備須要能夠收發不同波長的無線電波。不過真空管在高頻(也就是短波)的表現不是很好,如何克服這個問題便成為貝爾實驗室的首要任務。

貝爾實驗室於 1925 年成立,初期的工程師大多從 AT&T 陸續轉調過來,歐偉 (Russell Ohl) 也是其中之一,他對無線電的興趣始自大學時期。1914 年第一次世界大戰爆發,當時大學二年級的歐偉,在課堂上第一次聽到礦石收音機發出聲音,而且竟然是遠在大西洋的英國船隻,遭到德國潛艇攻擊所發出的求救訊號,從此他便對無線電深深著迷。

歐偉原本在 AT&T 就是負責短波的研發,1927 年轉到貝爾實驗室後仍繼續這個項目。他們不斷將無線電電波推向更高的頻率,但最終遇到瓶頸難以跨越。當其他同事仍執著於真空管時,歐偉於 1935 年決定從頭開始,一一檢視過去無線電的各種實驗與論文,從中發掘可行方案。最後他把目標瞄準礦石收音機的矽石,相信這才是解答。

歐偉 (Russell Ohl) 在他的實驗室裡。圖:Engineering and Technology History Wiki

一道裂痕開啟「矽」的半導體時代

礦石收音機不是才被真空管淘汰嗎?同事與主管都認為歐偉異想天開,但他認為只要去除矽石中的雜質,就能收發頻率更高的無線電波。歐偉自己多次嘗試用矽粉製造,卻不得其果,最後終於在 1939 年找到具有冶金專長的同事,用高溫熔製的方法精煉出高純度的矽。

1940 年 2 月 23 日,歐偉決定檢測一塊去年製出的矽石,據他的同事說,這塊矽石相當奇特,每次測的導電性都不一樣。歐偉仔細檢查這塊矽石,發現中間有條裂痕,他猜想這就是導電性不一致的原因,原本不以為意。但他接上示波器,赫然發現矽石在檯燈的照射下,竟然會產生電流。

光電效應是會產生電流,但那是以紫外線照射金屬,而這顆 40 W 的燈泡發出的是可見光,矽的導電性也遠遠不如金屬。雖然美國發明家弗里茲 (Charles Fritts) 曾於 1884 年將硒鍍上金箔,做成太陽能電池,但這樣的光伏效應 (Photovoltaic effect,也稱「光生伏特效應」) 轉換效率非常低,只有 1% 左右。歐偉所測到的電壓,超過當時所知的光電效應與光伏效應十倍以上,絕對是項前所未有的發現。

歐偉趕緊找主管來看,同時和同事繼續深入研究這塊矽石。他們發現電流總是由裂痕的上半部流往下半部,而不會反向而行。經過進一步分析發現,裂痕兩邊含有不同的雜質,上半部含有少許的硼,而下半部的雜質則是磷。

他們推測應該是這塊矽石經過高溫熔化,在自然冷卻的過程中,較重的磷下沉得比較快,較輕的硼下沉得比較慢,裂痕出現的地方剛好將這兩種元素阻隔開,以致矽石的上、下半部各有不同的雜質。

歐偉推測電流就是兩邊不同的雜質所致。磷有 5 個價電子,而硼有 3 個價電子,在白熾燈泡的照射下,磷的多餘電子被激發而越過裂痕,填補含硼那一邊矽石的電洞,而產生電流。這就類似電池的負極提供電子給正極,於是歐偉也用「n型」、「p型」來稱呼這兩種矽石,然後把劃分兩邊的裂痕——也就是這兩種半導體的接觸面——叫做「p-n 接面」(p-n junction)。這幾個名稱便一直沿用到現今的半導體。

半體體的基本名稱不但源自歐偉的命名,如今我們懂得利用摻雜來改變半導體的導電性,也是始自他這次的發現。不過對歐偉而言,他一心只想研究無線電波,發現半導體的光伏效應只是偶然,他無意也沒有能力再深究其中原理。

半導體的後續研究隨即由貝爾實驗室另一個團隊接手,這群有量子力學背景的物理學家將釐清 p-n 接面的奧秘,進而發明改變世界的電晶體。

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張瑞棋_96
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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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邁向商用化——電腦產業的形成│《電腦簡史》數位時代(十五)
張瑞棋_96
・2021/02/01 ・4303字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 521 ・七年級

本文為系列文章,上一篇請見:破解密碼到模仿遊戲——圖靈那些不可說或無人識的貢獻│《電腦簡史》數位時代(十四)

全世界只需要五台電腦?

「我想電腦的全球市場大概五台吧。」 ——IBM 總裁華生 (Thomas Watson),1943 年。

這句話現在看起來相當荒謬可笑,尤其竟然出自 IBM 總裁口中,更令人覺得匪夷所思。當然,用現今個人電腦的市場規模來評判華生這句話並不公平,畢竟當時根本無法想像家家戶戶有電腦。

不過再怎麼樣,中大型電腦的市場規模也絕對不只個位數吧?IBM 自己是靠製表機起家,為政府部門、鐵道公司、壽險公司等大型機構做資料統計都超過三十年了,為什麼仍會如此低估電腦的需求?

IBM 首任總裁華生。圖:Wikipedia

其實華生才於 1939 年親自拍板定案,與哈佛大學共同開發電腦,他絕對有想到其它大學肯定也有電腦的需求。同時他也應該知道軍方為了二次大戰,正在積極打造電腦,用來計算彈道、製作射表。

只不過對華生而言,這些電腦都是為了特定用途打造,而且是採合作開發的模式,在他眼中並不是可商品化的產品,他要的是可以直接採用標準產品的商用市場。然而當時需要大量計算的企業本來就寥寥可數,況且那些計算工作也多是簡單的統計分析,用 IBM 的製表機就綽綽有餘了。所以華生當時看衰電腦市場也是有其道理。

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華生的觀點恰恰反映了電腦在那個時代所扮演的角色:計算高深複雜的數學方程式。而這顯然只有學者才會用到,要不是為了本身的科學研究,就是幫軍方計算彈道、空氣動力學之類的。

事實上,當時也的確都是大學與軍方這兩個單位在推動電腦的開發(貝爾實驗室雖然一開始是自己主動打造複數計算機,但後來就中止電腦研發,直到戰爭爆發,才接受軍方委託繼續開發)。如果電腦用途只侷限於此,華生的預言恐怕就八九不離十。所幸二次大戰結束後,商用市場興起,電腦產業才有今日的榮景。不過你大概想不到,第一家打造商用電腦的竟不是 IBM 之類的電腦公司,而是英國一家餐飲企業。

餅乾工廠與劍橋大學

萊昂企業 (J. Lyons and Co.) 於 1884 年成立時只是一間小茶館,後來不但發展為遍布英國的連鎖茶館,還拓展出甜點、餐廳等不同連鎖店,並且自己設廠生產各種餅乾、糕點。二次大戰後,管理階層鑒於組織越來越龐大,想要從美國購置事務機器來提升管理效率。

萊昂企業旗下的連鎖餐廳,攝於 1942 年。圖:Wikipedia

結果他們蒐集各方資料後,發現美國陸軍於 1946 年 2月公開發表了第一台通用型電子計算機 ENIAC。萊昂企業高層對此極感興趣,於是派人於 1947 年 5 月前往美國參訪考察。

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他們拜訪了高士汀(前情提要:他在戰時代表陸軍派駐在摩爾電機學院,負責協調 ENIAC 的設計與建造。就是他主動把馮紐曼撰寫的〈EDVAC 報告初稿〉分送給美、英兩國的相關機構,促成了許多部馮紐曼架構的電腦誕生),表明想要建置一台電腦。高士汀好心的告訴他們不用捨近求遠,離他們公司總部不遠的劍橋大學就有團隊正在打造電腦。

原來劍橋大學的物理學家威爾克斯 (Maurice Wilkes) 也拿到一份〈EDVAC 報告初稿〉,而且比圖靈幸運的是,他有位研究生二次大戰時曾在海軍服役,負責設計雷達所用的延遲線記憶體,因此知道如何打造水銀延遲線。

雖然技術上的障礙克服了,但劍橋大學校方對開發電腦興趣不大,不願給予經費,威爾克斯只好一邊著手設計,一邊尋找經費來源。沒想到幸運之神再次眷顧,萊昂企業竟然主動找上門來,願意贊助開發經費,以換取威爾克斯協助他們打造商用電腦。

威爾克斯設計的「電子延遲存儲自動計算機」(Electronic Delay Storage Automatic Calculator,簡稱 EDSAC)  不到兩年就完工,於 1949 年 5 月 6 日成功執行了計算平方數的程式,成為繼曼徹斯特寶寶之後,第二台可存取程式的數位電腦。

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EDSAC 創下的諸多第一

不過嚴格來說,曼徹斯特寶寶原本就是為了打造曼徹斯特一號而試做的先導機型,只能做簡單的計算,輸入/輸出裝置也相當克難,功能相當有限。因此若以真正具有完整功能的電腦而言,第一台可存取程式的電腦應該是 EDSAC;曼徹斯特一號則以 40 天的差距屈居第二。

完工後的 EDSAC,左方即設計者威爾克斯。圖:Wikipedia

還有幾項電腦史上的第一也與 EDSAC 有關。在機器剛開機時,會先有基本程序讓相關元件就緒,這是靠一連串的電子訊號控制電磁開關來完成。負責程式設計的研究生惠勒 (David Wheeler) 將開機程序改用一組初階指令 (initial orders) 控制,這組指令用英文代碼描述,方便程式設計師以更直觀的方式設定機器。

惠勒所設計的初階指令就是最早的組合語言 (assembly language),他因此被視為「組譯器」(assembler,將組合語言轉換成機器碼的系統) 的發明人。1951 年,惠勒以〈用 EDSAC 做自動計算〉這篇論文取得博士學位,成為史上第一位電腦科學博士

EDSAC 完工後,威爾克斯並沒有敝帚自珍,反而很快地自 1950 年開始開放給外界使用,他為此與惠勒編寫了史上第一本電腦程式的教科書,讓有意使用 EDSAC 的學者知道如何撰寫程式。這其中有四位後來獲得諾貝爾獎(兩位合得 1962 年化學獎、一位獲 1963 年醫學獎,還有一位是 1974 年物理獎得主),他們還特別在頒獎典禮上,致辭感謝 EDSAC 對他們的研究有很大的幫助。

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順帶一提,史上第一個視覺化的電腦遊戲也是出現在 EDSAC 上。EDSAC 原本配有監測電路用的陰極射線管;1952 年,一位研究生寫了井字遊戲的程式,讓人與電腦對弈,井字與 ”O”、”X” 符號就直接呈現在陰極射線管上。

世上首部商用電腦誕生

威爾克斯如願完成 EDSAC 後,當然要履行對幕後金主萊昂企業的承諾。萊昂企業高層對電腦的冀望極高,特地設置了一個專責部門「萊昂電子辦公室」(Lyons electronic office,簡稱 LEO),而且並非採購現成的機種,而是要自己打造量身訂做的電腦;名稱就取為「里歐一號」(LEO 1)。

第一部商用電腦「里歐一號」。圖:Wikipedia

里歐一號完全參考 EDSAC 的設計,惟記憶容量擴增為兩倍,很快就於 1951 年 2 月竣工。11 月,萊昂企業開始將訂單、配銷、庫存等管理系統電腦化,首度實現今日通稱的「管理資訊系統」(Management Information System),里歐一號也因此成為世上第一部商用電腦。

到目前為止,英國在電腦發展上仍然領先美國。儘管曼徹斯特大學與劍橋大學都是取得〈EDVAC 報告初稿〉後,才開始設計馮紐曼架構的電腦;其中幾人還特地飛到美國,參加摩爾電機學院的暑期課程,才習得相關的電腦知識,但英國團隊卻比美國更早打造出機器。

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英國除了率先達成好幾項技術上的里程碑,在軟體應用上也更勇於嘗試。當萊昂企業開始導入管理資訊系統時,美國的電腦主要仍用於科學計算或為政府部門解決特定問題。至於掌握商用市場的 IBM,仍然用機電式的製表機,為客戶處理簡單的加減乘除。

英美兩國電腦實力的消長

不過美國的落後純屬偶然。EDVAC 是因為核心成員紛紛離去,以致延宕到 1952 年 2 月才完工。悻悻然自行創業的莫奇利與艾科特因為從頭開始,所以 1949 年 3 月才完成美國第一部可存取程式的電腦「二進位自動計算機」(Binary Automatic Computer,簡稱 BINAC),比英國的曼徹斯特寶寶晚了近一年。回到普林斯頓高等研究院的馮紐曼畢竟是學者而非工程師,直到 1952 年 1 月才所打造出 IAS 機器。

沉睡的 IBM 也即將甦醒。由於韓戰爆發,美國國防部須要進行核彈的計算,IBM 終於在 1952 年 4 月推出高速運算的「國防計算機」(The Defense Calculator),這是 IBM 第一部馮紐曼架構的真空管電腦。既然都已經開發了,這又是通用型計算機,可以執行各種程式,那就更名為 701,推到商用市場試試看吧。於是 IBM 自 1953 年開始向企業用戶推銷 701,從此開啟了 IBM 主宰中大型電腦市場的時代,也標誌了美國後來居上的開始。

IBM 701 的運算單元。圖:Wikipedia

順帶一提,文章一開頭引述 IBM 總裁華生所說的那句話,據信其實就是出自他在 1953 年的股東大會上,報告 701 的銷售成果時所說的:「我們巡迴拜訪客戶前,原本預期訂單頂多 5 台,結果拿了 18 張訂單回來。」後來以訛傳訛,才演變成他在 1943 年說了那句名言。

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華生那次巡迴其實只拜訪了 20 家客戶,結果高達九成願意購置電腦,證明了商用電腦確實有相當的市場需求。IBM 光是隔年推出的平價機型 650,就在八年內賣出兩千部,其它七家規模較小的電腦公司也都頗有斬獲;市場上還幫他們取了「白雪公主與七矮人」的暱稱。

美國電腦產業風起雲湧,迅速地把原本領先的英國拋在腦後,實乃大時代下的必然結果。歐洲國家歷經二次大戰的蹂躪,國力嚴重耗損,相對地,美國本土則完全未受戰火波及,加上為盟國生產大量武器軍需,帶動經濟大幅成長,因而促進商用電腦的需求。而且如之前在介紹凡納爾.布希時提到的,在他的大力推動下,美國政府將研究經費下放給大學或民間的實驗室,不僅促進產業發展,也讓技術在民間扎根,科技實力因而大幅領先全世界。

磁性記憶體

電腦相關的技術也是如此。以記憶體來說,水銀延遲線與威廉斯管這兩種裝置都過於昂貴,使得電腦造價讓企業用戶望之卻步。雖然早在十九世紀末,就有人利用電磁感應錄下聲音,但記錄資料卻始終難以實現。

直到 1947 年,美國一家「工程研究公司」(Engineering Research Associates) 才在海軍的委託下,開發出「磁鼓記憶體」(Magnetic Drum Memory)。它的原理類似硬碟,只不過磁性材料是噴塗在圓筒表面。

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1958年的磁鼓記憶體。圖:Wikipedia

雖然磁鼓記憶體因為有轉動的機械動作,資料存取速度比不上水銀延遲線與威廉斯管,卻因為容量大、可靠性高、無揮發性(意思是不插電時,資料也不會消失),成本又低,成為實現平價電腦的一大關鍵。IBM 650 就是用了磁鼓記憶體,才得以降低售價。

1949 年,磁性記憶體又往前推進一步。時任艾肯研究助理的華裔物理博士王安,在參與打造「哈佛四號」電腦時,發明了「磁芯記憶體」(Magnetic Core Memory)。這是將電線穿過許多磁環構成的陣列,沒有任何機械動作,只有電流穿梭其中,所以速度飛快。但因為造價高昂,只用於高階機種或是核心記憶體。

就在記憶體的技術取得新的進展之際,有一項革命性的發明也在貝爾實驗室悄悄展開,這項發明將徹底改變電腦的樣貌,將電腦帶向另一個新世紀。那就是——電晶體。

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張瑞棋_96
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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。