作者:陳俞帆

蒸汽機的發明,推動了第一次工業革命,電力系統的升級是第二次工業革命,隨著機器的發展,人們不必承受高強度的重複性的勞力工作,許多高風險又吃重的苦差事逐漸被機器代勞。

除了勞動力被解放外,過往工廠經常仰仗水力運轉,在器械發明之後,工廠選址不必再依傍著河川溪流,土地使用也產生了巨大的變化。在一連串的演變過程中,人們的生活型態、經濟模式、文化、價值觀也都因此產生巨大改變。

而在晶片發明後,隨著技術不斷進展,體積小小的晶片,卻能讓電腦有遠比人腦還要高效率的運算能力,人類也逐步從「勞心的重複工作中逐步解放」。

隨著晶片的體積越來越小,性能越來越強大,價格也越來越便宜。電子設備、電腦變得輕巧便宜又普及,幾乎只要是需要電力驅動的裝置,就會裝著有如電器「心臟」的晶片。

也因此今日仰仗著電子用品的運轉的世界中,晶片的重要性也被比喻成為石油一般珍貴。

就如同蒸汽機發明影響了後續一連串的變革,晶片也不遑多讓,甚至對人們生活影響更加巨大,「晶片是第三次工業革命的關鍵因素」的說法於焉產生。

要了解晶片的發明以及他的重要性,我們必須先瞭解電子產品「心臟」演變史。

要讓單純的電流變成能夠傳送訊號,完成計算或是執行複雜程式指令,基礎來自於電流的開、關,以及放大與縮小。要做到這樣的控管,就需要電路中有個像是水龍頭一樣的開關作調節,這個水龍頭扮演著電子產品心臟的角色。而最早的心臟便是樣貌像是燈泡的真空管。

第一支真空管便是在1904年11月16日取得專利,由弗萊明John A. Fleming (1849-1945)發明,他成功使電流可以穩定單向的由真空管中傳導,而1906年,美國發明家德佛瑞斯特Lee De Forest(1873-1961)再進一步改良弗萊明的二極管,發明可以調整電流大小的三極管。

真空管的發明,也象徵著人們可以開始控制電流訊號驅使機器做更多工作,也因此電子產業就此誕生。

但真空管有著龐大、笨重、耗電量大、容易過熱燒毀的缺點,比如說1930年代富豪人家流行的豪華落地真空管收音機,上頭會警示,請使用者確保周遭不能有紙張或是易燃物,否則可能引發火災。

而真空管通電產生的熱能也令人困擾。尤其大型精密電腦中的真空管密佈聚集,在運作時過熱的高溫,甚至可能融化機組,讓精密設備變成廢鐵。

1950年代美軍與賓夕法尼亞大學合作的超級電腦ENIAC,運算速度等同於2400人同時作業,因此有「巨腦」的顯赫稱號。但巨腦的驚人潛力卻不太能完整發揮。

因為真空管電腦中密集的真空管在運轉時,同時會產生巨量的高溫,電腦承受不了高溫,每一天都會有幾個零件燒毀,幾乎半數的時間只能夠低速運轉。

ENIAC主要功能是為了計算彈道射擊位置的資訊,一天到晚不停故障真的不是辦法,為了解決真空管故障的問題,軍隊甚至派出士兵駐守在電腦的各個重要角落,並且配備完整的真空管零件,希望只要真空管燒毀的時候,就能即時發現故障位置並且快速更換,確保機器不要停擺。

但是人海戰術無法奏效。

因為ENIAC有一萬八千個真空管,沒有人知道哪一個真空管會在哪個特定時間故障。而且除了燒毀故障外,真空管運轉時所發出的光與熱,還會吸引趨光性的昆蟲前來,因此某些時候的停擺可能是因為昆蟲所致,也因此電腦故障稱之為「bug」,而排除電腦障礙被稱之為「debug」。

後來工程師發現在ENIAC開機暖機和關機冷卻的時候最容易損毀故障,為了減低開關電腦造成的損耗,因此即便ENIAC耗電量高達150千瓦,工程師寧可耗損可觀的電費,也不關機,才能將電腦的故障率降低到兩天一次。( 據傳只要ENIAC開機運轉,ENIAC所在的費城全城的電燈會變暗。)

而團隊平均在故障發生的15分鐘內,才能定位找到損毀元件,進行修復。而最長連續運轉的時間大約接近五天(116個小時),這是現代難以想像的情形,卻是當時的日常。

無論是電器或是電腦,真空管帶來的正面影響也伴隨著大量的缺點,也因此電子產業的發展停滯不前,直至下一個世代的電器心臟發明到來。

下一篇文章我們將來認識電晶體的發明與他如何演變成晶片。

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