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计算机史话5--个人计算机  

2017-01-27 13:46:09|  分类: 科技史话 |  标签: |举报 |字号 订阅

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集成电路(integrated circuit,IC)自从1958年发明后,就迅速发展起来,不仅替代了昂贵的计算机磁芯式内存,也开始应用于计算机的处理单元。
初期的IC只是把一些基本的逻辑单元电路集成到一个芯片中,如或门电路,被称为小规模集成电路SSI(small-scale integration),而最早使用SSI的计算机是阿波罗导航计算机(Apollo guidance computer),1960年代早期由麻省理工仪器实验室(MIT Instrumentation Laboratory)研制,指令舱(Command Module)与登月舱(Lunar Module)各有一台。为了实现完整的计算机功能,往往需要上千块SSI,但比用全分立元件组成的计算机体积小、耗电省。而美国制造的民兵导弹(Minuteman missile),大量使用了SSI,据说从1962年到1968年,民兵导弹与其他各种军用装备形成了4百万美元的集成电路市场。MOS工艺的集成电路耗电低,还应用到了美国国家航空航天局(NASA)发射的卫星中。这一时期,IBM的System/370系列计算机及DEC的小型机也逐渐改为使用小规模集成电路SSI。
1960年代中后期,发展出中规模集成电路MSI(medium-scale integration),每个芯片包含上百个三极管,因为比使用SSI更方便和成本更低,所以扩展了市场。当时很多半导体公司,如Texas Instruments、Sylvania、Motorola、RCA、National Semiconductor、Fairchild、Signetics等,都推出一系列相关逻辑电路产品,很多系列延续至今,成为工业标准,比较著名是74系列(7400 series)和4000系列(4000 series)。
74系列由德州仪器公司于1964年推出,最早的7400是与非门TTL(transistor–transistor logic)逻辑电路,使用5V电源。从7400开始,几年间扩展为几百种型号的系列产品,逐渐成为各个公司以致各个国家都仿制的标准品,并有后续的74L、74LS、74AS等很多技术改进系列,直到现在,其中一些产品还在出售。与此对应,还有军用的54系列。1965年,一片军品的陶瓷封装的74系列IC售价为22美元;到2007年,商用环氧封装的民品74系列只有0.25美元;目前在中国的电子市场已在1元以内。现在个人计算机上及很多数字电路上还在普遍使用的5V电源,其实就是源于74系列TTL芯片对电源的要求,延续至今。
4000系列也是直到今天仍能见到的逻辑电路产品,1968年由RCA(Radio Corporation of American)推出,使用CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)技术制造,耗电低而且电源范围宽(3-15V),但工作频率只能到1MHz,比TTL电路的10MHz要低很多,用于低速场合。其实,Motorola推出的MC14500系列,也往往被纳入4000系列中,其中的MC14500就是一块1位的计算机处理芯片,组合多片就能组成多位的工业用计算机。4000系列后来也被多个公司仿制,成为工业标准品。不过,随着半导体技术的发展,原来的74系列及4000系列的制造技术已经没有本质上的差异了,名称上的差异只是历史沿革,显示其最初的来源及芯片逻辑单元功能的不同。
74系列中有一款74181,是一片4位的计算机处理单元,与7418X系列的其他一些芯片组合,就能组成基本的集成电路计算机了。1970年前后,一些小型机就是使用这种方式建造的,比如DEC、Data General及HP公司的部分型号。Data General公司是DEC公司的产品经理Edson de Castro于1968年组建的,使用Fairchild公司的中规模集成电路,于1969年推出16bit字长的小型机Nova,售价4000美元,不过如果加上磁芯存储器就需要8000美元一台,Nova一共卖出5万台,当时被一些科学实验室普遍使用,获得很大成功。
在那个时代,32位的计算机就能算作mainframe(大型机)了,很令人向往,当时一些工程师(如Lee Boysel)已在一些刊物上发表使用大规模集成电路LSI(large-scale integration)组装大型机的方法。这时的集成电路技术已经可以把上千个三极管集成到一块芯片上,而使用20多块这样的芯片就能组成完整的计算机了,甚至一些机型只需要4片就足够了,这就出现了单芯片的处理器。
划时代的Intel 4004是第一块商用的单芯片微处理器(microprocessor)产品(其他公司更早的军用芯片被保密很久),最早是为日本的一家计算器公司Busicom设计。当时的计算器主要还是以手摇式机械计算器为主,也不断有使用晶体管的电子式计算器,但体积比较大。Intel于1971年才完成4004系列芯片MCS-4,包括4片,其中4001为ROM,4002为RAM,还有移位寄存器4003,而4004是一块4位的处理器芯片。到1976年,Intel发布了MCS-48,片内包括了ROM、RAM及输入/输出口,成为完整的单芯片计算机,简称单片机,后来也称微控制器(micro controller,MCU),主要用于工业控制领域。1980年,Intel推出的MCS-51系列,成为单片机中的佼佼者,直到现今还有一些公司在制造兼容其指令集的产品。这是往体积小及廉价方向的发展,当时很多公司也有类似产品,比如TI、Motorola、Zilog等,后来日本、韩国及台湾公司抢占了这个市场。
1972年,Intel公司推出了8位的单处理器芯片8008,而这款芯片则是为另一家公司 Computer Terminal Corporation (CTC)设计的,并依照CTC公司的指令集,但因为延迟交付且未能达到要求而被弃用。Intel把此芯片放入产品目录,以每片120美元出售,并取得商业成功。加州大学的Bill Pentz团队,利用8008芯片构建了一个完整的系统,用磁盘操作系统,内置IBM的BAL语言,包括键盘、磁带机、打印机及彩色显示器,1973年完成,后来被认为是最早的微型机(个人计算机)。其他使用8008的早期个人计算机还有MCM/70和Micral N等,基本也是1973年推出的,其中Micral N售出9万台。
也有人认为CTC公司1971年推出的Datapoint 2200已是一种成熟的个人计算机,并在速度上超过使用8008的计算机,但它使用多个芯片组成处理器。CTC公司因为Intel开发的处理器芯片延迟且速度达不到要求而只能使用自己开发的TTL芯片,但TTL芯片因功耗等原因,集成度难以大幅度提高,限制了性能的继续提升及成本的降低,所以在1980年代的竞争中落败。
因为8008的成功,Intel在1974年推出了8080芯片,对比8008芯片的时钟只能为500kHz,8080则达到了2MHz,而且指令集也增强了。使用8080的电子设备主要为计算器、点钞机、工业机器人等,或者制造大型计算机的智能终端,还有人开发了在此芯片上运行的操作系统CP/M及高级编程语言PL/M。1976年,Intel还推出了只需要使用单5V电源就能组成系统的8085芯片。1975年,微型仪器与自动测量系统公司MITS(Micro Instrumentation and Telemetry Systems)公司推出使用8080的个人计算机Altair 8800,售价400美元。Altair 8800在个人计算机历史上很值得一提,不仅是因为它卖出了数千台,取得了一些商业成功,更重要的是催生了很多个人计算机,比尔·盖茨最早移植的Basic产品就用于这种机器上。但Altair 8800只是一个供计算机爱好者们使用的套件,前面板包括很多开关及发光二极管(LED),操作和使用很复杂,不适合普通用户使用。但Altair 8800可以通过内置的插槽来扩展功能,后来的很多个人计算机大多也支持扩展槽,便于用户根据需要及技术的发展升级其性能。
Intel的前员工组成Zilog公司,在1976年推出了Z80芯片,增强了Intel 8080的性能,使Intel的产品黯然失色。Zilog公司后来授权多家公司作为第二来源制造厂,还在日本、东欧等国家被模仿,成为被市场广泛接受的产品。基于Z80,曾有TRS-80和ZX81等个人计算机出现,TRS-80售价600美元,是比较成功的一种个人计算机,曾经售出几十万台。TRS-80后续机型一直售卖到1980年代末。
其实,几乎与Intel 8008同时,Motorola公司也开始制造微处理器,是基于PDP-11的处理器架构,推出6800,并在1975年出现几种基于6800的个人计算机,如Sphere I、SWTPC 6800、Altair 680等,其中
Sphere I售价为650美元,但只是套件,并不是成品。
早期的个人计算机还有1973年出现的王安公司的Wang 2200、HP 9830、IBM 5100、Xerox Alto等。但这些计算机主要分为两类,一类像Xerox Alto这类比较完整的计算机,功能比较好,价格也比较高,要超过5千美元甚至超过万元,另一类就是像Altair 8800这样,价格比较便宜,只有500美元左右,但往往只是套件,主要在专业电子产品市场销售给爱好者,一般用户很难操作和使用。
第一款商业成功的个人计算机当然就是Apple II,1977年开始销售,使用MOS Technology(MOSTEK)的6502处理器,1MHz时钟,4k RAM,有磁带接口,ROM中内置Basic,可驱动40x24行的单色显示器,可使用电视机做显示,使用了开关电源以减小体积,售价1300美元(4k RAM)/2600美元(48k RAM)。Apple II还有可扩展插槽,可接入5吋磁盘,并使用磁盘操作系统Apple DOS,这样很多应用软件如dBase数据库和字处理、电子表格等都可以运行。Apple II后续还有一些改进型,可以将内存升级到1MB,可使用Pascal及Fortran高级语言编程等。这系列产品一共售出了6百万台,而在最辉煌的1983年就售出1百万台,也就是形成数十亿美元的产值,而苹果公司在早期每年增长达530%。
Apple II使用的6502处理器是MOSTEK推出的,开发者是Motorola 6800的开发团队,芯片售价为25美元,只是Motorola和Intel推出的处理器价格的1/6,这也是Apple计算机设计者沃兹尼亚克(Stephen Gary Wozniak)当初选择它的一个重要原因。沃兹尼亚克是在Homebrew Computer Club活动中上看到Altair 8800计算机的介绍而受到启发设计Apple I的,当时仍然只是一种套件,但已经可以在电视机显示屏上显示字符,去Homebrew Computer Club做演示时有了第一个客户,以每台666美元卖出了50套,这是Apple公司的开端。
当时,计算机都是昂贵的大设备,最便宜的也需要近万美元,很多电子爱好者也想拥有自己的计算机,所以有很多DIY(Do It Yourself,自己组装)的尝试,并建立起一些相互交流经验的组织,Homebrew Computer Club就是这类组织,其中很多成员后来都建立起了自己的公司。
在美国这种商业繁荣的市场上,几乎每种成功的产品都会有很多模仿者及竞争者,Apple II的竞争者主要是Commodore公司的PET和Atari公司的Atari 400,都是基于6502处理器,还有一种TRS-80是基于Z80处理器。这几款机型在市场上广受欢迎,扩展市场,特别是教育机构及中小商业公司的市场,这种商业竞争也不断推升性能的提升。个人计算机因为比DEC的小型机体积更小,价格也更便宜,所以被称为微型机(microcomputer),简称微机。个人计算机在1979年创造了1.5亿美元的市场销售额,并以每年40%的速度增长,吸引了像HP、TI、Data General等大公司加入其中,当然也不可避免地引起计算机巨头IBM公司的关注。
但IBM已是一个巨大的公司,有非常严谨的体制及管理流程,以保证公司的正常运作及产品质量。但这种体制在快速增长及变化的个人计算机市场中非常不适应,曾经推出的像IBM 5100就因价格过高而未能成功,所以IBM决定设置一个特别小组来快速设计一款产品,由埃斯特利奇(Philip Don Estridge)主持,只有12个设计人员。为了尽快完成设计,以适应市场的变化,也是因为人手有限,这款机型没有像IBM其他产品那样全部使用自己的硬件和软件,而是采用IBM工厂已有的或市场上现有的通用产品。处理器使用Intel的16-bit处理器8088(外围接口8bit),操作系统使用微软提供的DOS,图形显示可使用普通电视机或单色显示器,而内存、磁带机都是市售产品,软盘驱动器可以通过扩展插槽使用。IBM PC于1981年推出,售价1565美元,其中只有键盘与主机部分是IBM设计,只对ROM BIOS和公司标志拥有版权。从配置上看,很像是一种性能提升的Apple II。后来,IBM PC又不断推出XT、AT等机型,
与IBM对大型机技术的保密不同,IBM PC出售36美元的技术参考手册,其中包括完整的原理图、带有说明的ROM BIOS源代码,还有此机型相关硬件的工程及编程信息,甚至有设计第三方配件的说明。这种开放的方式,便于其他厂家为其设计扩展卡,也使技术手册变成学校教材而获得普及。依靠IBM在计算机行业的品牌影响力,使IBM PC一上市就取得巨大成功,第一天就订购了4万台,据估计其中90%的订购者是软件开发商。很快,一些扩展卡及扩展盘就开发出来,很多工作室加入编写能运行在IBM PC上的软件。不久,在IBM PC上运行的应用软件及编程语言是Apple计算机上的4倍。到1982年,在工作日内,每分钟就有1台IBM PC售出。1983年,IBM PC共售出75万台,到年底时已超过Apple II,市场份额后来逐年上升;而对小型机制造商DEC影响更大,当年只卖出不到7万台。随着微型机的性能逐渐提升,与小型机在性能上已非常接近,并具有价格上的优势,迫使小型机逐渐淡出计算机市场,有些则向高端发展,形成工作站及服务器这类计算机,主攻专业市场及企业应用领域。
IBM PC的开放结构是一把双刃剑,虽然借此迅速打败市场先入者成为市场赢家,但也成为被仿制的对象,后来都称为兼容机。制造兼容机的不仅有Compaq这样的小公司,也有像HP这样的大公司,制造兼容机成为很大的产业,甚至一些公司(如一些台湾公司),只制造主板或提供使用的模块、插件,从而形成很大的组装机市场。像Compaq、Acer、DELL等逐渐成为大型计算机公司,而IBM PC最终只剩一个品牌,授权其他公司制造了。
为了与IBM在个人计算机市场竞争,Apple公司曾推出Lisa、Macintosh等机型,但定价过高,达近1万美元,封闭的系统也使其应用程序比较少,最终只剩个人计算机市场10%左右的份额,主要在图形、图像及多媒体等高端专业应用场合。
而个人计算机时代最大的赢家是提供DOS系统的微软和被采用处理器的Intel。1980年,比尔·盖茨从西雅图电脑产品公司(Seattle Computer Products)购得基于8086芯片的磁盘操作系统86-DOS(其实是仿制的CP/M),并按要求更改后提供给IBM公司,后随IBM PC出售,称为PC-DOS。后来,出现大量IBM PC兼容机制造厂,微软则大量向计算机制造商提供操作系统授权,1年超过70家公司,不仅包括使用8086芯片的机型,也包括其他硬件平台的,通过重新改写部分代码保证DOS上可运行相同的应用软件,最终使MS-DOS成为在个人计算机市场占用份额最高的操作系统。后来,微软仿照Apple公司Macintosh机上的图形界面设计了自己的操作系统Windows,开始也是免费提供的,后来依靠已经拥有的绝对市场份额推出需要付费的Window95升级版,并一步步发展,现在已是Window 10了。
在DOS操作系统时代,微软虽然也推出一些应用软件,像较早的Word、Excel等,其实都是仿制的WordStar、VisiCalc等软件,并一直处于下风,有了自己的Window平台后,图形界面上的各种应用软件,如Office系列、Visual Studio系列等才逐渐打败行业的先行者,成为霸主,比尔·盖茨才因此成为首富。
Apple公司在竞争中的落败,连累了Motorola公司处理器芯片的继续发展。而Intel公司则凭借IBM PC及兼容机在计算机市场的成功,有了源源不断的资金支持迅速占据领先地位,Intel的x86系统长期垄断高端处理器市场。后来,AMD和Cyrix也进入生产x86兼容的处理器,成为Intel的竞争对手,Intel为在激烈的市场竞争中甩开对手,需要不断开发性能更高的芯片,不敢稍有疏忽。一度,还有MIPS和PowerPC架构的处理器,都是基于精简指令集(RISC,Reduced instruction set computing)的架构,PowerPC是Apple-IBM-Motorola结盟推出的,但在个人计算机领域很少使用,主要用于嵌入式系统中。
个人计算机的出现及竞争中性能的不断提升,完全改变了计算机市场的格局。小型机消失了,出现了性能及配置高于个人计算机的工作站及服务器,以Unix系统为主,后来随着网络技术的广泛应用,Web服务器市场有所扩张,主要采用从Unix发展出来的Linux系统。而大型机市场也逐渐衰退,出现了以多处理器及并行计算为主要特征的超级计算机(supercomputer),用于一些专业计算场合,如天气预报等。
目前个人计算机仍在发展,已从早期的8位、16位发展到32位、64位系统,并从单核发展到多核处理器,系统时钟从最早的1MHz发展到现在的3GHz以上,最早只支持几k字节内存,现在一般都是几G。不过,现在的个人计算机已很少有大的技术突破,已不再是电子技术发展的引领者。

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