隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的誕生

英國(guó)的曼徹斯特“寶貝”是第一臺(tái)用于存儲(chǔ)程序的電子數(shù)字計(jì)算機(jī)。

無(wú)論是在網(wǎng)飛上看電影、玩電子游戲，還是單純地瀏覽數(shù)碼照片，你的電腦都會(huì)定期進(jìn)入內(nèi)存獲取指令。沒(méi)有隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM），今天的計(jì)算機(jī)甚至無(wú)法啟動(dòng)。

多年來(lái)，存儲(chǔ)器一直由真空管、充滿水銀的玻璃管以及（最后出現(xiàn)的）半導(dǎo)體組成。

不過(guò)第一批計(jì)算機(jī)根本沒(méi)有任何可重新編程的存儲(chǔ)器。英國(guó)曼徹斯特的科學(xué)與工業(yè)博物館表示，直到20世紀(jì)40年代末，每次機(jī)器需要改變?nèi)蝿?wù)時(shí)，都必須對(duì)其進(jìn)行物理重新編程和重新布線。

曼徹斯特小型實(shí)驗(yàn)機(jī)是第一臺(tái)能夠在讀/寫(xiě)存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)的電子數(shù)字計(jì)算機(jī)，它被稱為曼徹斯特“寶貝”。1948年6月，它成功地從存儲(chǔ)器中運(yùn)行了程序。

計(jì)算機(jī)先驅(qū)弗雷德里克?C.威廉姆斯（Frederic C.Williams）、湯姆?基爾伯恩（Tom Kilburn）和杰夫?托蒂爾（Geoff Totill）在曼徹斯特大學(xué)研發(fā)制造了這臺(tái)機(jī)器及其存儲(chǔ)系統(tǒng)——威廉姆斯-基爾伯恩管。

曼徹斯特大學(xué)技術(shù)史講師詹姆斯?薩姆納（James Sumner）在接受《曼徹斯特晚報(bào)》采訪時(shí)表示：“‘寶貝’的能力十分有限，但它是電子存儲(chǔ)程序計(jì)算的首次實(shí)際演示，當(dāng)今幾乎所有的計(jì)算機(jī)都使用了這種快速靈活的存儲(chǔ)方法?！?/p>

“寶貝”如何記住信息

第二次世界大戰(zhàn)后，為了打造能夠在存儲(chǔ)器中執(zhí)行多種任務(wù)的計(jì)算機(jī)，全球各地的研究小組都展開(kāi)了研究。英國(guó)工程師威廉姆斯便是其中一名研究者，他是一位雷達(dá)先驅(qū)，在英國(guó)馬爾文電信研究所（TRE）工作。

威廉姆斯在雷達(dá)系統(tǒng)和電子研究領(lǐng)域有著令人印象深刻的背景。他幫助開(kāi)發(fā)了“敵我識(shí)別”系統(tǒng)，該系統(tǒng)可使用雷達(dá)脈沖在戰(zhàn)爭(zhēng)期間識(shí)別盟軍飛機(jī)。

由于專業(yè)知識(shí)過(guò)硬，1945年，馬爾文電信研究所委托威廉姆斯編輯一系列雷達(dá)技術(shù)書(shū)籍并為書(shū)籍供稿。作為研究的一部分內(nèi)容，他前往位于新澤西州默里希爾的貝爾實(shí)驗(yàn)室了解其正在進(jìn)行的工作，即如何從陰極射線管（CRT）上的雷達(dá)軌跡中去除地面回波。威廉姆斯想到的辦法是使用兩臺(tái)陰極射線管，通過(guò)在兩臺(tái)陰極射線管之間來(lái)回傳遞雷達(dá)軌跡以對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)。

威廉姆斯回到馬爾文電信研究所并開(kāi)始研究這個(gè)想法，他意識(shí)到，通過(guò)這樣的方法也可以只用一臺(tái)陰極射線管來(lái)存儲(chǔ)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。馬爾文電信研究所的學(xué)術(shù)主任基爾伯恩也加入了威廉姆斯的研究。

陰極射線管可以使用電子槍將聚焦的電子束射向熒光屏。熒光粉被電子束射中時(shí)會(huì)發(fā)光；最終，熒光會(huì)消失，直到再次被電子束擊中。

為存儲(chǔ)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，威廉姆斯和基爾伯恩使用了更強(qiáng)大的電子束。當(dāng)電子束撞擊屏幕時(shí)，它會(huì)將幾個(gè)電子撞到一邊，短暫地產(chǎn)生一個(gè)帶正電的斑點(diǎn)，這個(gè)斑點(diǎn)被負(fù)電光環(huán)包圍。讀取數(shù)據(jù)則涉及寫(xiě)入面板上的每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，并對(duì)附近金屬板中產(chǎn)生的電流模式進(jìn)行解碼，解碼取決于之前是否在該點(diǎn)寫(xiě)入了內(nèi)容。

維基工程和技術(shù)史上關(guān)于“寶貝”的一個(gè)條目顯示，隨著時(shí)間的推移，電子的電荷會(huì)發(fā)生逃逸（正如電視屏幕上的熒光粉不再發(fā)光），并且不允許繼續(xù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。為了保持電荷不消失，電子束必須反復(fù)讀取熒光體上存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，重新生成相關(guān)的電荷圖。當(dāng)今計(jì)算機(jī)的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM）也使用了這樣的刷新過(guò)程。

1946年，兩人展示了可實(shí)現(xiàn)1位存儲(chǔ)的設(shè)備。此設(shè)備如今被稱為威廉姆斯-基爾伯恩管，有時(shí)簡(jiǎn)稱為威廉姆斯管。

同樣在1946年，威廉姆斯加入了曼徹斯特大學(xué)并擔(dān)任電工系主任。馬爾文電信研究所臨時(shí)派遣基爾伯恩去那里與他一起工作，兩人在大學(xué)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)開(kāi)展研究。一年后，威廉姆斯招募了計(jì)算機(jī)科學(xué)家托蒂爾加入團(tuán)隊(duì)。1947年，他們使用威廉姆斯-基爾伯恩管成功實(shí)現(xiàn)了2048位存儲(chǔ)。

打造原型

為測(cè)試威廉姆斯-基爾伯恩管的可靠性，1948年，在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)始人馬克斯?紐曼和計(jì)算機(jī)科學(xué)家艾倫?圖靈的指導(dǎo)下，基爾伯恩和托蒂爾打造了一臺(tái)小型實(shí)驗(yàn)機(jī)。他們花了6個(gè)月的時(shí)間，使用了二戰(zhàn)時(shí)期密碼破譯機(jī)器的多余零部件。曼徹斯特“寶貝”由此誕生。

“寶貝”長(zhǎng)5米、高2米、重約1噸，占據(jù)了實(shí)驗(yàn)室大樓的一整間房。這臺(tái)計(jì)算機(jī)由金屬架、上百個(gè)閥門和真空管以及一組垂直安裝的手動(dòng)開(kāi)關(guān)組成。用戶可通過(guò)開(kāi)關(guān)一點(diǎn)一點(diǎn)地將程序輸入內(nèi)存，并可直接從威廉姆斯-基爾伯恩管的表面讀取輸出。

1948年6月21日，“寶貝”運(yùn)行了第一個(gè)程序。該程序由基爾伯恩編寫(xiě)，包含了17條指令，用于查找整數(shù)的最大因子?！皩氊悺痹?3分鐘內(nèi)進(jìn)行了350萬(wàn)次計(jì)算后得出了正確答案。

截至1953年，全球有17個(gè)開(kāi)創(chuàng)性計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)采用了威廉姆斯-基爾伯恩的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器技術(shù)。

2022年6月，IEEE將“寶貝”列入IEEE里程碑事件以表紀(jì)念。IEEE英國(guó)和愛(ài)爾蘭分會(huì)贊助了這項(xiàng)提名。里程碑計(jì)劃由IEEE歷史中心管理并得到了捐助者的支持，用以表彰世界各地杰出的技術(shù)發(fā)展。

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