DPZ - 電的旅程

「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。

「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。

「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)

「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)

「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)

「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)

「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)

「第十一章:：電腦」
＜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)

「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)

「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)

「第三部：固態電子」
「第十二章：貝爾實驗室與半導體」
美國新澤西州的田野間樹林密佈，丘陵起伏，好一片寧靜的世界。分佈在一座小丘周圍的是舉世聞名的貝爾實驗室，是現代電子和資訊技術的搖籃。
在1907年費爾復出重振AT&T時，他的策略之一是要AT&T在技術上永遠領先，在競爭中不受制於人。他把各附屬公司的頂尖技術人員集合在一起，成立了西電技術中心（Western Electric Technology Center）；先在紐約城裡設立了實驗室，再在全國各地網羅人才，不斷擴張。西電技術中心研究的項目層面很廣，從元件的發展到應用在通訊系統上的數學，無所不包。後來這個團隊在發掘德福雷斯特的三極管技術，並成功應用在橫跨北美洲長途電話的過程中，顯示了突出的價值。這個技術中心在1925年正式命名為貝爾實驗室。隨著組織的擴張，最後貝爾實驗室搬到了新澤西州現址。
貝爾實驗室規模龐大，經費充足，而其研究經費只是整個AT&T企業固定支出中的一小部分。AT&T是壟斷企業，電話收費的價格定期由政府批准；政府在審核並批准AT&T每年的支出預算後，再設定電話費價格，允許AT&T收取若干百分率的利潤。所以貝爾實驗室的研究經費可事先編列，不因公司短期營運的盈虧而劇烈浮動，各項研究計畫有比較長期的穩定性，也能對前瞻性強、風險高的項目做出足夠的長期投資。這些因素使得貝爾實驗室比一般企業的研究單位更穩定，也更能吸引各方面的第一流科技專才聚合在一起。除此之外，貝爾實驗室的各項重點研究都有明確的實用目標，最後都要應用在通訊技術的突破或改良上，所以研究成果的成功移轉率，比目標分散的基礎研究組織要高得多。

「第十二章：貝爾實驗室與半導體」
＜凱利的先見＞
1936年，凱利（Mervin Kelly）被任命為貝爾實驗室新的研究部主任。凱利經驗豐富，目光獨到。他在貝爾實驗室多年，一直在真空三極管的科研小組工作，沒有人比他更懂三極管的技術了。這個團隊在二十多年中，把三極管的平均壽命從800小時增加到80,000小時，各方面的性能也得到長足的進步，但是凱利內心非常明白，三極管技術已到了極限。為了發展出全電子的大型電話交換機，或建造可靠的橫跨大西洋海底電話電纜，三極管已無能為力，必須發展出一個新技術來取代。
什麼新技術呢？對這個問題凱利已有一個籠統的概念：固態電子！他深深的感受到，有可能發展出一個類似真空三極管的固體元件，沒有玻璃、沒有真空、耗能低、體積小，可靠度高。至於怎麼去解決這個技術問題呢？他的答案是：從固態物理研究中尋找。凱利的結論不是無的放矢，而是有根據的。要明白這點，我們必須把時間挪前六十年。

「第十二章：貝爾實驗室與半導體」
＜變化莫測的半導體 ( 1 )＞
1874年，才二十四歲的德國科學家布勞恩在做實驗時無意間發現，當他用一根金屬線接觸一種叫硫化鉛（PbS）的自然礦石時，電流可從金屬線流入礦石，但調轉電壓時，則沒有電流，所以是一個整流現象。這個發現，比愛迪生發展電燈泡時觀察到的真空管整流現象（愛迪生效應），還要早了好幾年。但這個現象難以捉摸，有些硫化鉛可以整流，有些沒有這個現象；而且就算在有整流性質的硫化鉛礦石上，也不是表面上每處都有這個性能，每一次都要不停的用像貓鬍鬚般的極細黃銅絲，在礦石表面點觸尋試，才能找到理想的整流點。這種元件叫「貓鬚整流器」（cat whisker rectifier），在二十世紀初期曾普遍被業餘無線電愛好者，應用在簡單價廉的「礦石收音機」上。…… (待續)

「第十二章：貝爾實驗室與半導體」
＜變化莫測的半導體 ( 2 )＞……續上
布勞恩及其他科學家發現，除了硫化鉛外，很多物質和金屬點觸時也有整流性能，包括元素鍺和矽，這類材料後來通稱為「半導體」。半導體整流的原理非常複雜，要到1938年以後才搞清楚。
布勞恩在1897年還發明了陰極射線管（CRT），又創始了不少獨特的無線電接收技術，在1909年和馬可尼一起得到諾貝爾物理獎。1916年底，他專程來美國，為一個無線技術專利案作證人，不巧次年四月恰逢美國向德國宣戰。美國政府決定對布勞恩進行監管，不讓他離開紐約回德國。當時他已經六十七歲。幾個月後，太太在德國逝世，他無法陪伴在她身邊。第二年他自己也在美國病故，客死他鄉，晚景淒慘。布勞恩對婦女在科學技術訓練上缺乏機會，一直深感不平。他被困紐約時，正在寫一本書，書名《為女人寫的科學》（Science for Women），可惜沒有完成就過世了。…… (待續)

「第十二章：貝爾實驗室與半導體」
＜變化莫測的半導體 ( 3 )＞……續上
物理學上對半導體的認知，走過一段相當漫長艱難的路，因為半導體原理很複雜，性能很易受極微量的雜質或晶體結構上的缺陷影響而改變。在十九世紀末有很多觀察到的物理現象，無法用牛頓或馬克士威的理論來解釋，這些現象引發了往後三十年量子力學的發展，使得人類對物質最基本的原理有了深刻的認識。有了量子力學的理論基礎，再加上X射線折射實驗中，測示到物質中原子的確實排列結構，自1930年代，科學家便開始從理論上研究固態物質的性質。…… (待續)

「第十二章：貝爾實驗室與半導體」
＜變化莫測的半導體 ( 4 )＞……續上
德國科學家德汝德（Paul Drude）首先發展了金屬的理論，開始從最基本的原子結構，來解釋及計算各種金屬的基本性質。1931年，英國的威爾遜（Alan H. Wilson）展開了對半導體的理論工作。他率先指出半導體內電子能量的分布有「能隙」（energy gap），也預測了微量雜質對半導體性能的深刻影響，從此半導體的理論研究成為固態物理中的重要課題。當時德國納粹當權，很多猶太籍科學家都逃離歐洲，移民美國，很多加入了各所學術機構，增強了美國在基礎物理研究上的底子。各大學裡的教授各樹旗幟，廣收學生，對後來美國在固態電子的發展起了很大的作用。
無線電在1920及30年代高速發展，收聽無線廣播成為時髦活動。貓鬚整流器（或稱「點觸整流器」）也廣泛應用到無線接收器上。隨著半導體基礎理論研究的不斷進步，德國科學家蕭基（Walter Shottky）及英國的教授莫特（Nevill Mott）開始把理論應用到點觸整流器原理的認識上。…… (待續)

「第十二章：貝爾實驗室與半導體」
＜變化莫測的半導體 ( 5 )＞……續上
蕭基是一位教授，同時也是德國電子業巨擘西門子的資深研究員。他在1938年發表了〈金屬與半導體界面整流〉的論文，第一次在理論上準確解釋了布勞恩在1874年觀察到的整流現象，其間相隔了整整五十五年！蕭基的論文在半導體技術上是劃時代巨作，首次把固體物理的基本研究與半導體元件性能連結起來，可惜此時二次大戰開打，學術交流活動停頓下來。蕭基除了在電子元件理論上有卓越的貢獻外，在半導體結構缺陷的理論、電流產生的噪音及無線接收技術上，都有重要的創新，他的成就被歷史嚴重低估了。蕭基活了九十歲，到1976年才逝世。…… (待續)

「第十二章：貝爾實驗室與半導體」
＜變化莫測的半導體 ( 6 )＞……續上
二次大戰期間，微波雷達得到了迅速的發展。微波的頻率遠高於無線電通訊用的電磁波，把真空三極管應用在雷達接收器時，靈敏度很低，因為三極管對微波訊號的反應速度不夠快。美國工程師一直不明白，為什麼英國的雷達接收器性能遠為優越；在1941年，當他們把英國接收器拆開檢驗時，方恍然大悟──原來英國人不用真空三極管，而是用矽所做的點觸整流器。這種整流器反應速度極快，足可高效能的接收微波頻率。自此美國開始大規模發展用矽及鍺製成的點觸整流技術，以供雷達使用。
在這過程中，大家充分認識到，矽或鍺的純度及晶體的完美性，對整流器的性能與「良率」有極大的關係，因此在發展過程中，工程師高度注重半導體材料技術。戰爭結束後，高純度（> 99.999%）的鍺及矽多晶體材料都已面世，對發展晶體三極管（以下稱為「三極體」），提供了重要的材料技術基礎。…… (完)

「第十三章：電晶體的誕生」
把時間再轉回到1936年，凱利剛獲任命為貝爾實驗室的科研主任。根據自己對真空三極管的經驗，他知道這個技術已走到底了，貝爾實驗室必須發展出一個新技術來取代真空三極管。在1936年，蕭基還沒有發表他的論文，但是凱利覺得半導體的點觸整流器原理和真空二極管相似。德福雷斯特在二極管間加了「柵極」，促使了真空三極管的誕生；那麼，有沒有可能在固態的點觸整流器的兩個電極中間，也多加一個「閘」（gate）呢？
凱利並不知道答案，也充分知道即使有答案，面臨的技術挑戰也將是巨大的。但他堅信這是一條正確的道路。可是要研究成功，最關鍵的是需要一流人才。他必須組成一支理想的團隊，而在這團隊中除了要有出色的電子工程師和半導體材料專家之外，還需要有思想全面的固態電子理論專家。當時貝爾實驗室缺乏這種人才，也很難從內部重新訓練出這類專家。

「第十三章：電晶體的誕生」
＜三極體概念 ( 1 )＞
凱利上任不久，就開始四方物色理想的固態物理理論專才。貝爾實驗室在研究方面一直有崇高的名聲，而薪酬又較學術界高，1937年又出了一位諾貝爾物理獎得主戴維生（Clinton Davisson，證實電子的波粒二象性），所以對不少一流人物有吸引力，包括一些本來預備留在學術界的學者型人物。
在所有新聘人員中，最有影響的莫過於蕭克萊（William Schockley）。蕭克萊在1910年出生於英國，父親是麻省理工學院畢業生，專業是開礦技術。蕭克萊家族是「五月花號」上最早的一批美國移民。母親是史丹福大學最早期的女性畢業生之一，學的是數學與藝術。父親年紀比母親大了二十五歲，一家人平常不太跟人來往。從英國回到美國後，蕭克萊在美國舊金山南面史丹福大學所在的帕羅阿托（Palo Alto）長大，這一點對後來矽谷電子工業的發展有著重大關係。…… (待續)