标准化
至于第一个任务——唉，正如我们在上一篇文章中提到的，苏联没有计算机标准化的味道。 这是苏联计算机（以及官员）的最大祸害，同样无法克服。 标准的想法是人类经常被低估的概念性发现，堪与原子弹相提并论。
标准化提供了统一、流水线、实施和维护的极大便利和成本，以及极大的连接性。 所有零件都可以互换，机器可以冲压成几万个，协同作用发挥作用。 这个想法早在 100 年前就被应用于枪支。 武器，40 年前就到了汽车——结果到处都是突破。 更令人惊讶的是，在将其应用于计算机之前，只有在美国才考虑过它。 结果，我们最终借用了 IBM S/360，并没有偷走大型机本身，也没有偷走它的架构，也没有偷走突破性的硬件。 绝对所有这些很容易在国内，我们有足够的直臂和聪明的头脑，有很多天才（按西方标准也是如此）技术和机器 - M Kartseva、Setun、MIR 系列，你可以列出很长一段时间时间。 窃取 S / 360，我们首先借用了一些我们在电子技术发展到那时为止的所有这些年中一般都没有的东西 - 标准的想法。 这是最有价值的收购。 不幸的是，马克思列宁主义之外的某种概念思维的致命缺乏和“天才”的苏联管理，并没有让我们提前意识到这一点。
不过，我们稍后会谈到S/360和欧盟，这是一个痛苦而重要的话题，这也关系到军用计算机的发展。
计算机技术的标准化是由最古老、最伟大的硬件公司带来的——自然是 IBM。 直到 1950 年代中期，人们都认为计算机是一块一块地或以 10-50 台机器的小批量制造为理所当然的，没有人猜测它们会兼容。 当 IBM 在其永恒的竞争对手 UNIVAC（正在建造 LARC 超级计算机）的激励下，决定建造 1950 年代最复杂、最大和最强大的计算机 - IBM 7030 数据处理系统，即 Stretch 时，一切都改变了。 尽管具有先进的元件基础（该机器是为军队设计的，因此 IBM 从中获得了大量晶体管），但 Stretch 的复杂性令人望而却步 - 必须开发和安装 30 多个板，每个板有几十个元件。
Stretch 是由 Gene Amdahl（后来的 S/360 开发者和 Amdahl Corporation 的创始人）、Frederick P. Brooks, Jr 也是 S/360 开发者和软件架构概念的作者）和 Lyle Johnson（Lyle R. Johnson，作者）等人开发的计算机体系结构的概念）。
尽管该机器威力巨大，创新数量巨大，但商业项目彻底失败——仅实现了公布性能的 30%，公司总裁 Thomas J. Watson Jr. 按比例降价 7030数次，导致巨额亏损……
后来，Stretch 被 Jake Widman（Jake Widman's Lessons Learned: IT's Biggest Project Failures, PC World, 09.10.08/10/360）评为 IT 行业管理失败的前 1964 名。 开发负责人 Stephen Dunwell 因 Stretch 的商业失败而受到惩罚，但在 7030 年 System/1966 取得惊人成功后不久，他指出其大部分核心思想首先应用于 XNUMX。结果，他不仅被原谅，而且也是在 XNUMX 年，他正式道歉并获得 IBM Fellow 的荣誉职位。
7030 的技术领先于时代——指令和操作数预取、并行算术、保护、交错和 RAM 写入缓冲区，甚至是一种称为指令预执行的有限形式的重新排序——奔腾处理器中相同技术的祖父. 此外，处理器是流水线的，机器能够（使用特殊的通道协处理器）将数据从 RAM 直接传输到外部设备，从而卸载中央处理器。 它是我们今天使用的一种昂贵的 DMA（直接内存访问）技术版本，尽管 Stretch 通道由单独的处理器控制，并且比现代糟糕的实现具有更多的功能（而且价格高出一个数量级！）。 后来，这项技术迁移到了 S/360。
IBM 7030 的范围是巨大的——原子弹的发展、气象学、阿波罗计划的计算。 由于其庞大的内存大小和令人难以置信的处理速度，只有 Stretch 可以做到这一切。 在索引块中最多可以动态执行 11 条指令，并且可以一次将最多 15 条指令加载到预取块和并行 ALU 中。 因此，在任何给定时间，多达 4 个命令可能处于不同的执行阶段——如果我们忽略过时的元素基础，那么现代微处理器离这种架构不远。 例如，Intel Haswell 每个时钟最多可处理 1950 条不同的指令，仅比 XNUMX 年代的处理器多 XNUMX 条！
建造了 20 个系统，Stretch 计划给 IBM 造成了 7030 万的损失，但它的技术遗产非常丰富，紧随其后的是商业成功。 尽管寿命很短，但 XNUMX 带来了很多好处，从架构上讲，它是世界上最重要的五台机器之一。 故事.
尽管如此，IBM 将不幸的 Stretch 视为失败，正因为如此，开发人员学到了主要教训——设计硬件不再是一门无政府主义的艺术。 它已成为一门精确的科学。 由于他们的工作，约翰逊和布鲁克写了一本于 1962 年出版的基础书籍，“规划计算机系统：项目延伸”。
计算机的设计分为三个经典层次：指令系统的开发、实现该系统的微体系结构的开发以及机器整体系统体系结构的开发。 此外，该书首次使用了经典术语“计算机体系结构”。 从方法论上来说，它是一部无价之宝，是硬件设计师的圣经，也是几代工程师的教科书。 那里概述的想法已被美国的所有计算机公司采用。
控制论的不知疲倦的先驱，已经提到的 Kitov（不仅是一个博学多才的人，像伯格一样，经常关注西方媒体，而且是一个真正的有远见的人），为它于 1965 年的出版做出了贡献（设计超快系统：拉伸复合体； ed. 由 AI Kitova. - M .: Mir, 1965)。 这本书的体积减少了近三分之一，尽管基托夫在扩展的前言中特别指出了构建计算机的主要架构、系统、逻辑和软件原则，但它几乎没有引起人们的注意。
最后，Stretch 为世界带来了一些计算机行业尚未使用的新东西——标准化模块的想法，后来整个 IC 组件行业也由此发展起来。 每个去商店购买新的 NVIDIA 显卡，然后将其插入旧 ATI 显卡的位置，一切正常的人，此时应该向 Johnson 和 Brook 表示感谢。 这些人发明了一些比管道和 DMA 更具革命性的东西（并且不那么引人注目并立即受到赞赏，例如，苏联的开发人员甚至根本不注意它！）。
他们发明了标准兼容板。
短信
正如我们已经说过的，Stretch 项目在复杂性方面没有类似物。 这台巨大的机器应该由超过 170 个晶体管组成，这还不包括数十万个其他电子元件。 所有这些都必须以某种方式安装（记住 Yuditsky 如何安抚反叛的巨大电路板，将它们分解成单独的基本设备 - 不幸的是，对于苏联来说，这种做法没有被普遍接受）、调试，然后支持，更换有故障的部件。 因此，开发者提出了一个从我们今天经验的高度来看很明显的想法——首先，开发单独的小块，在标准地图上实现它们，然后根据地图组装一辆汽车。
中央处理器 IBM 7030（巨大控制台后面的一排柜子）和一个来自 BM 1401 的模块，带有 SMS 卡（照片 https://blog.hnf.de/t 和 https://en.wikipedia.org）
SMS - 标准模块化系统就是这样诞生的，它在 Stretch 之后被到处使用。
它由两个部分组成。 事实上，第一个是电路板本身，基本元件尺寸为 2,5x4,5 英寸，带有 16 针镀金连接器。 有单幅和双幅板。 第二个是标准卡架，母线在后面展开。
某些类型的卡板可以使用特殊的跳线进行配置（就像现在调整主板一样）。 此功能旨在减少工程师必须随身携带的卡片数量。 然而，由于许多数字逻辑家族（ECL、RTL、DTL等）的实现，以及各种系统的模拟电路，卡的数量很快就超过了2500张。 尽管如此，短信还是完成了他们的工作。
它们被用于所有第二代 IBM 机器和第三代机器的众多外围设备，并用作更先进的 S/360 SLT 模块的原型。 正是这种“秘密”武器，在苏联并没有多少人关注，并让 IBM 每年将其机器的产量提高到数万台，正如我们在上一篇文章中提到的。
这项技术被美国计算机竞赛的所有参与者借鉴 - 从 Sperry 到 Burroughs。 他们的总产量无法与 IBM 的前辈相提并论，但这使得在 1953 年至 1963 年期间，他们自己设计的计算机不仅可以满足美国市场的需求，还可以满足国际市场的需求，从字面上将其淘汰从那里所有区域制造商 - 从 Bull 到 Olivetti。 没有什么能阻止苏联这样做，至少与 CMEA 国家一样，但是，唉，在欧盟系列之前，标准的想法并没有访问我们的国家计划负责人。
紧凑的包装概念
标准化之后的第二个支柱（在向集成电路的过渡中发挥了千倍的作用，并导致了所谓的标准逻辑门库的发展，从 1960 年代至今没有任何特殊变化！）是紧凑型封装，甚至在集成电路、电路甚至晶体管之前就被考虑过。
小型化战争可以分为4个阶段。 第一个是预晶体管，当时灯被试图标准化和减少。 二是表面贴装印刷电路板的出现和引进。 第三是寻找晶体管、微型模块、薄膜和混合电路的最紧凑封装——通常是 IC 的直接祖先。 最后，第四个是 IS 本身。 苏联的所有这些路径（除了灯的小型化）与美国并行。
第一个组合电子设备是一种“一体式灯”Loewe 3NF，由德国公司 Loewe-Audion GmbH 于 1926 年开发。 这个温暖的电子管音响风扇的梦想包括在一个玻璃外壳中的三个三极管阀，以及创建一个成熟的无线电接收器所需的两个电容器和四个电阻器。 电阻器和电容器被密封在它们自己的玻璃管中以防止真空污染。 事实上，它是一个“灯中接收器”，就像现代片上系统一样！ 制作收音机唯一需要购买的是调谐线圈和电容器以及扬声器。
然而，创造这种技术奇迹并不是为了提前几十年进入集成电路时代，而是为了逃避德国对每个灯座征收的税款（魏玛共和国奢侈税）。 Loewe 接收器只有一个连接器，这让它们的主人在金钱上有很大的偏好。 这个想法是在 2NF 系列（两个四极管加上无源元件）和巨大的 WG38（两个五极管、一个三极管和无源元件）中发展起来的。
Tsar-lamp Loewe 3NF 和 ALU 元素 IBM 701（照片 https://www.worthpoint.com/ 和 https://en.wikipedia.org）
总的来说，灯具有巨大的集成潜力（尽管设计的成本和复杂性过度增加），此类技术的顶峰是 RCA Selectron。 这种怪异的灯是在 Jan Aleksander Rajchman（因创造了从半导体到全息的 6 种 RAM 的绰号“记忆先生”）的领导下开发的。
约翰·冯·诺依曼
ENIAC 建成后，约翰·冯·诺依曼前往高等研究院 (IAS)，在那里他渴望继续从事一项新的重要（他认为计算机对战胜苏联的胜利比原子弹更重要）科学的工作。方向 - 计算机。 按照冯诺依曼的想法，他设计的架构（后来叫冯诺依曼）应该成为美国所有大学和研究中心机器设计的参考（这部分是发生的事情，由方式） - 再次渴望统一和简化！
对于 IAS 机器，冯诺依曼需要内存。 而当年美国所有真空设备的领先制造商RCA，慷慨地提出赞助威廉姆斯电子管。 人们希望通过将它们包含在标准架构中，冯诺依曼将有助于它们作为 RAM 标准的扩散，这将为 RCA 未来带来巨额收入。 在IAS项目中，铺设了40kbit RAM，RCA的赞助商对这样的胃口感到有点难过，并要求Reichman的部门减少管道数量。
莱赫曼在俄罗斯流亡者伊戈尔·格罗兹多夫（Igor Grozdov）的帮助下（一般来说，许多俄罗斯人在RCA工作，包括著名的兹沃雷金，总统大卫·萨尔诺夫本人就是白俄罗斯犹太人——流亡者）诞生了一个绝对惊人的解决方案——真空之冠集成技术，用于 256 kbit 的 RCA SB4 Selectron RAM 灯！ 然而，这项技术变得异常复杂和昂贵，即使是串行灯每只也需要 500 美元左右，一般来说，底座是一个有 31 个触点的怪物。 结果，由于系列延迟，该项目没有找到买家 - 鼻子上已经有了铁氧体内存。
可能最复杂的电真空设备是同一个 RCA SB256 Selectron，它的操作图和一个可怕的电源（照片 https://computerhistory.org/）
小叮当项目
许多计算机制造商已经刻意地尝试改进灯模块的架构（您现在还不能说出拓扑结构），以增加它们的紧凑性和易于更换。
最成功的尝试是 IBM 70xx 系列标准灯单元。 灯微型化的顶峰是第一代 Project Tinkertoy 计划，该计划以 1910-1940 年流行的儿童设计师的名字命名。
对于美国人来说，也并非一切顺利，尤其是当政府参与合同时。 1950 年，海军航空局委托国家标准局 (NBS) 为模块化通用电子设备开发集成计算机辅助设计和生产系统。 原则上，当时这是合理的，因为没有人知道晶体管将通向何处以及如何正确使用它。
NBS 为开发投入了超过 4,7 万美元（按今天的标准约为 60 万美元），热情的文章发表在 1954 年 1955 月的《大众机械》和 1950 年 XNUMX 月的《大众电子》中……该项目被吹走，留下了只有少数喷涂技术，以及由这些组件制成的一系列 XNUMX 年代雷达浮标。
发生了什么事？
这个想法很酷 - 彻底改变生产自动化并将 IBM 701 上的巨大块变成紧凑且多功能的模块。 唯一的问题是，整个项目是为灯设计的，到完成的时候，晶体管已经开始了它的凯旋步。 他们不仅知道如何在苏联迟到——Tinkertoy 项目吸收了巨额资金，结果证明完全没有用。
Tinkertoy 积木、《大众机械》中的一篇关于它们的文章以及用于猎杀苏联潜艇的声纳浮标是原始项目的唯一应用（照片 https://1500py470.livejournal.com/）
标准板
第二种封装方法是优化晶体管和其他分立元件在标准板上的放置。
直到 1940 年代中期，点对点构造是确保零件安全的唯一方法（顺便说一句，非常适合电力电子设备和今天的这种能力）。 这个方案不是自动化的，也不是很可靠。
1936 年，奥地利工程师保罗·艾斯勒 (Paul Eisler) 在英国工作时为他的收音机发明了印刷电路板。 1941 年，多层印刷电路板已用于德国磁性海军水雷。 该技术于 1943 年到达美国，并用于 Mk53 无线电保险丝。 印刷电路板在 1948 年开始用于商业用途，直到 1956 年（由美国陆军通信兵团开发）才出现自动组装过程（因为组件仍然以铰链方式连接到它们上）。
顺便说一下，之前提到的集成电路之父杰弗里·达默（Jeffrey Dahmer）也在英国同时进行了类似的工作。 政府接受了它的印刷电路板，但我们记得，微电路被短视地砍死了。
直到 1960 年代后期以及用于微电路的平面外壳和面板连接器的发明，早期计算机的印刷电路板发展的顶峰是所谓的木桩或软木包装。 它节省了大量空间，通常用于对小型化至关重要的地方 - 在军事产品或超级计算机中。
在软木设计中，轴向引线组件安装在两个平行板之间，并用线带焊接在一起或用薄镍带连接。 为了避免短路，在板之间放置了绝缘卡，穿孔允许元件引线穿过下一层。
cordwood 的缺点是为了确保可靠的焊接，必须使用特殊的镀镍触点，热膨胀会使电路板变形（在 Apollo 计算机的几个模块中观察到），此外，这种方案降低了可维护性的单元达到现代 MacBook 的水平，但在集成电路出现之前，cordwood 使达到尽可能高的密度成为可能。
来自第一台商用晶体管主机 Philco NTANSAC 2000 Model 212（1960 年）的标准表面贴装 PCB，是 60 年代最强大机器的处理器的一部分，传奇的 CDC6600，使用cordwood 技术制造（照片https://computerhistory.com）。 org/, https://cds.cern.ch)
银行主机 Burroughs B5000 (1961) 的处理器元件，组装在硬木块中，照片来自作者的收藏。
自然，优化的想法并没有在板上结束。
封装晶体管的第一个概念几乎是在开始批量生产后立即诞生的。 BSTJ 第 31 条：3. 1952 年 1752 月：晶体管发展的现状。 (Morton, JA) 首先描述了一项关于“在微型封装电路中使用晶体管的可行性”的研究。 贝尔为其早期的 M7 类型开发了 XNUMX 种类型的整体包装，每种类型都包含一块嵌入透明塑料的板，但这并没有超出原型。
1957 年，美国陆军和国家安全局再次对这个想法产生兴趣，并委托 Sylvania 电子系统开发类似用于秘密军用车辆的微型密封软木模块。 该项目被命名为 FLYBALL 2，开发了几个包含 NOR、XOR 等的标准模块。 它们由 Maurice I. Crystal 创建，用于加密计算机 HY-2、KY-3、KY-8、KG-13 和 KW-7。 例如，KW-7 由 12 个插卡组成，每个插卡最多可容纳 21 个 FLYBALL 模块，排列成 3 排，每排 7 个模块。 模块有多种颜色（共 20 种），每种颜色负责其功能。
第一篇 Bell 文章中的晶体管的封装以及组装在其上的设备的实验室模型。 D4a 并从中登船 (https://de.wikipedia.org, https://www.robotrontechnik.de)。 FLYBALL 2，它的专利和秘密的 NSA 加密计算机 KW-7 的董事会 (https://www.cryptomuseum.com)
名称为 Gretag-Bausteinsystem 的类似块由位于 Regensdorf（瑞士）的 Gretag AG 生产。
更早的，在 1960 年，飞利浦制造了类似的 Series-1、40-Series 和 NORbit 块作为可编程逻辑控制器的元件，以取代工业控制系统中的继电器；该系列中甚至还有一个定时器电路，类似于著名的 555 微电路。模块由飞利浦及其分支机构 Mullard 和 Valvo 生产（不要与沃尔沃混淆！）并且在 1970 年代中期之前一直用于工厂自动化。
即使在丹麦，在 1 年制造 Electrologica X1958 时，也使用了微型多色模块，与丹麦人喜爱的乐高积木非常相似。 1959 年，在德累斯顿技术大学计算机研究所的东德，尼古拉斯·约阿希姆·莱曼教授为他的学生制造了大约 10 台微型计算机，标记为 D4a，他们使用了类似的晶体管封装。
从 1940 年代末到 1950 年代末，勘探工作一直在进行。 问题在于，再多的组织技巧也无法摆脱数字的专制，这是贝尔实验室副总裁杰克·莫顿 (Jack Morton) 在 1958 年 IRE 论文集上创造的术语。
问题是计算机中的分立元件数量已达到极限。 超过 200000 个单独模块的机器最终无法运行 - 尽管此时晶体管、电阻器和二极管已经非常可靠。 然而，即使是百分之一的故障概率，乘以数十万个零件，在任何给定时间，计算机中的某些东西都有很大的可能会损坏。 壁挂式安装有数英里的布线和数百万个焊接触点，这让事情变得更糟。 IBM 7030 仍然是纯粹离散机器的复杂性极限，即使是 Seymour Cray 的天才也无法让复杂得多的 CDC 8600 稳定工作。
混合芯片概念
1940年代后期，美国中央无线电实验室开发了所谓的厚膜技术——通过类似于制造印刷电路板的方法将走线和无源元件施加到陶瓷基板上，然后开放式晶体管被开发出来。焊接在基板上，所有这些都被密封。
所谓的混合微电路的概念就是这样诞生的。
1954 年，海军又投入 5 万美元用于延续失败的 Tinkertoy 计划，陆军在此之上又增加了 26 万美元。 RCA 和摩托罗拉公司开始做正事。 第一个改进了 CRL 的想法，将其发展为所谓的薄膜微电路，第二个工作的结果是，其中包括著名的 TO-3 封装——我们认为任何见过的人任何电子产品都会立即认出这些带有耳朵的巨大圆形部件。 1955 年，摩托罗拉发布了它的第一个 XN10 晶体管，并选择了外壳以适合 Tinkertoy 管的迷你插座，因此具有可识别的形状。 它还进入了免费销售，从1956年开始就被用于汽车收音机，然后到处都是，这种情况现在还在使用。
摩托罗拉的发展最终创造了晶体管的经典案例（照片 https://1500py470.livejournal.com/）
1950 年代后期的美国陆军使用了薄膜混合 RCA 电路（照片 https://1500py470.livejournal.com/）
到 1960 年，美国军方在他们的项目中一直使用混合（一般来说，无论他们怎么称呼它们——微型组件、微型模块等），取代了以前笨拙而笨重的晶体管封装。
微模块最辉煌的时刻早在 1963 年就出现了——IBM 还为其 S/360 系列开发了混合电路（以百万份的销量出售，它创立了一个兼容机器系列，生产至今并随处复制（合法与否）——从日本到苏联），他们称之为 SLT。
集成电路不再是新鲜事物，但 IBM 担心它们的质量是正确的，并且习惯于掌握一个完整的生产周期。 赌注是有道理的，大型机不仅成功了，它还像 IBM PC 一样具有传奇色彩，并进行了同样的革命。
自然，在后来的型号中，例如 S/370，该公司已经改用成熟的微电路，尽管使用的是相同品牌的铝盒。 SLT 成为微型混合模块（尺寸仅为 7,62x7,62 毫米）的一种更大、更便宜的改编版本，由他们于 1961 年为 IBM LVDC（ICBM 车载计算机以及 Gemini 程序）开发。 有趣的是，混合电路与已经成熟的集成 TI SN3xx 一起在那里工作。
来自 IBM 的 SLT 模块和 S / 360 板上，下面 - Gemini 车载计算机，白色芯片 - IBM 混合动力，金色 - 来自 TI 的 IC（照片 https://www.ibm.com/，http://www. lichtbildwerkstatt .net /, https://1500py470.livejournal.com/)
然而，对薄膜技术、微晶体管的非标准封装和其他技术的调情最初是一个死胡同——半途而废，无法提升到新的质量水平，实现真正的突破。
突破在于以数量级的方式彻底减少计算机中离散元素和化合物的数量。 需要的不是复杂的组装，而是取代整个电路板放置器的单片标准产品。
从经典技术中挤出一些东西的最后一次尝试是对所谓的功能电子设备的吸引力——尝试开发单片半导体器件，不仅取代真空二极管和三极管，而且取代更复杂的灯——闸流管和十极管。
1952 年，贝尔实验室的朱厄尔·詹姆斯·埃伯斯 (Jewell James Ebers) 创造了一个四层“类固醇”晶体管——一种晶闸管，类似于闸流管。 1956 年，肖克利在他的实验室中开始对四层二极管（一种 dinistor）的批量生产进行微调，但他的好斗天性和开始的偏执不允许案件完成并毁了整个团队。
1955-1958 年使用锗晶闸管结构的工作没有带来任何结果。 1958 年 XNUMX 月，RCA 过早地宣布 Walmark 十位移位寄存器是“电子技术的新概念”，但实际的锗晶闸管电路无法运行。 为了实现大规模生产，需要与单片电路完全相同的微电子水平。
在光刻技术的出现解决了它们的生产问题之后，晶闸管和电阻器在技术中得到了应用，而不是在计算机技术中。
世界上几乎三个人几乎同时访问了这个光明的想法。 英国人杰弗里·达默（但他自己的政府让他失望了）、美国人杰克·圣克莱尔·基尔比（他三者都幸运——创造了知识产权的诺贝尔奖）和俄罗斯人——尤里·瓦伦蒂诺维奇·奥索金（结果是Dahmer 和 Kilby 之间的交叉：他被允许创建一个非常成功的微电路，但最终他们没有开发这个方向）。
下次我们将讨论第一个工业 IP 的竞争以及苏联如何几乎在该领域抢占先机。