达德利•巴克和不曾诞生的计算机

来源：内容来自悦智网，David C. Brock  谢谢。

━━━ ━━━

二战硝烟散去不久， 全世界的电子工程师们都在努力解决一个非常基础但却一直悬而未决的问题：应该如何制造电子数字计算机？逻辑电路最适合哪种开关？主存储器该使用何种材质？

工程师们在若干备选项中很快选中了快速真空管来制作基本逻辑开关，每台机器都需要使用数千个这样的开关。（当时，晶体管才刚刚在贝尔电话实验室问世，还不是一个成熟的备选方案。）而最早的计算机系统中的主存储器也存在多种多样的选择：专用阴极射线管、水银管以及涂有磁浆的旋转鼓。但是，在20世纪50年代早期，技术界开始重点关注另外一项存储技术——磁芯。这些铁磁材料制成的小圆环在不同方向磁化时，每个圆环都可以携带一个单比特数据。

在20世纪50年代中期，采用真空管逻辑元件和磁芯存储器的大型电脑主机成为刚刚步入萌芽阶段的电子数字计算机的主流。随着时间的推移，真空管被晶体管取代，而后又发展成分立式晶体管，最终逻辑存储器和主存储器都选用了硅集成电路。但是这并非一个必然的发展进程。在20世纪50年代及60年代初期，一批批的工程师们都在积极地探索完全不同的数字计算机制造方法。

达德利•艾伦•巴克（Dudley AllenBuck）便是最早开展探索的研究人员之一。巴克自1950年开始在麻省理工学院工作，在1959年突然逝世，年仅32岁。巴克为微型电路的研发作出了重要的早期贡献——这项研究是将高度微型化的电路作为一个整体组装在一起，而不是将分立式的元件用线串联起来。除此之外，巴克还发明了“冷子管”，他希望这种超导性开关能够成为未来数字计算机的基本结构单元。受巴克这一设想的启发，在20世纪50年代末期到60年代早期这段时间内，通用电气、IBM、美国无线电公司和美国军方纷纷上马大型冷子管研究项目，后来他们才将研究重点转移到硅微芯片，用其制作计算机的逻辑单元和存储器。

巴克的研究设想在他生活的年代是十分超前的。即使在今天，这一设想也毫不过时：在量子计算研究领域，冷子管正是IBM及其他组织机构开展超导量子比特研究的根本所在。

尽管这方面的研究工作已经开展数十年之久，但巴克和他的冷子管早已淡出了人们的记忆。当前的大部分电子工程师都对这项技术一无所知。现在，就由我大致介绍一下巴克的研究工作和他那早已被遗忘的冷子管计算机。

━━━ ━━━

1948年，达德利•巴克从华盛顿大学毕业 ，并获得电子工程学士学位。此后，他进入美国海军位于华盛顿特区的密码逻辑部门工作，从事早期的数字计算机研究工作。1950年，巴克进入麻省理工学院开始电子工程领域的研究生课程学习，师从物理学家亚瑟•冯•希佩尔（Arthur von Hippel）教授。巴克还担任了麻省理工学院“旋风”计算机项目的研究助理，这款体积庞大的早期计算机主要用于军事用途。

巴克在麻省理工学院的研究生同学杰•拉斯特（Jay Last，后来进入飞兆半导体公司，带领团队研制出了首款平面硅集成电路）在回忆巴克时说，他既是一个“有远见卓识的梦想家”，也是一个“好人，简直好到了令人讨厌的地步”。拉斯特之所以会对巴克产生这样的印象，原因也许可以从巴克1954年的一封书信中窥见一斑。当时的巴克只有27岁，他在信中写道：“我有一个17岁的养子，已经领养4年，他担任童子军团长已经有6年之久。而我则是卫理会教堂的一名讲道人，有时会在周日上午布道。我非常享受这种同时在人文领域和工程领域工作的感觉。”

尽管这丰富充实的个人生活需要巴克履行诸多的职责，但他还是在麻省理工学院的研究工作上倾注了大量的精力。在较早期从事“旋风”计算机研究时，巴克详细研究了多种磁芯制造材料。他还积极寻找具有超凡物理特性的材料，以便制作高级数字计算机所需要的改良开关。

1952年，巴克偶然注意到了具有较强磁阻特性的化学元素铋：当被置于磁场中时，特别是在温度较低的情况下，这种化学元素的电阻率会大幅升高。在液氮沸点（4.2开）处，处于强磁场中的铋的电阻会发生数千万倍的变化。巴克认为可将该反应应用于计算机制造。控制电线中通过的少量电流及其产生的磁场就可以令一块铋材料的电阻发生巨大的变化，在极短的时间内终止或允许电流通过。根据这一原理，巴克便可以制造出一款电子开关。

到1954年时，巴克又开始重点关注在一个更加偶然的机遇中发现的液氮低温环境下的电磁学现象：超导性。这一现象虽然奇特，却也早已被人们发现。早在20世纪初期，物理学家们就已了解到，当温度降至液氮沸点左右时，各类金属将完全失去电阻性。

超导性也具备一种磁效应，即迈斯纳效应。超导材料会排斥磁场——但也只是在一定程度上。如果被置于一个足够强大的磁场中，超导材料几乎会立刻呈现为有电阻的状态。而磁场移除后，该材料又会恢复为超导状态。

注意到这一现象后，巴克认为完全有可能为电子数字计算机研制出一款全新的、具有卓越性能的构建元件。他认为该构建元件也许会取代真空管和磁芯。具有超导特性的开关可以拥有极其微小的体积和极快的处理速度，而且几乎不需要消耗电能。

巴克将他的这项发明命名为冷子管（cryotron），这一命名既兼顾了在20世纪50年代非常新潮典型的低温技术（cryo，希腊语，意为“冰冷”），又与电子学（electronics）一词有双关之意。但是，巴克所做的并不仅仅是构思和命名。他很快便制造并测试了十几款冷子管原型。

巴克制造的首批冷子管可谓非常简单，除了一截很短的钽线，以及紧紧缠绕在钽线上的一些螺旋状铜线之外别无他物。巴克在缠有铜线的钽线两端各连接上电引线，这样一来，冷子管在浸入装有液氮的容器后仍然可以连接外部电路。

铜线圈通入电流之后会相应地产生一个磁场，巴克便利用该磁场将钽线的超导性转变为电阻性。除此之外，巴克制造的冷子管原型还可以展现增益，即缠绕的铜线内的少量电流可以控制钽线中强度更大的电流。因此，巴克的冷子管便可以像三极真空管和晶体管一样用作数字计算机的逻辑开关。

巴克对他研制的新型超导设备的前景深信不疑。他曾设想采用他在硕士论文中研究分析的印制电路技术批量制造冷子管。巴克认为，依靠这些冷子管或甚至最为简陋的绕线冷子管便可以制造出一台数字计算机，其逻辑元件和存储器均采用冷子管制成。但是，他对这些冷子管原型的开关速度却十分担忧，这些慢得有些不尽如意的原型简直还不如电子机械继电器。

在寻求更佳性能的过程中，巴克尝试了许多种不同的材质。例如，缠绕在一起的铅和铌可以将开关时间缩短到5微秒——虽差强人意，但比当时速度最快的晶体管（可达到该开关速度的100倍）还是慢了许多。但是巴克认为，他可以通过缩小金属材料的物理尺寸制造出能够与性能最高的晶体管相媲美的冷子管。

与此同时，巴克还将若干个手绕式冷子管捆绑在一起，成功制造出了一个逻辑门、一个触发器和一个扇出放大器。就这样，巴克仅用冷子管就创建出了数字计算机存储器和逻辑单元所需要的所有基本电路。可见，打造全冷子管超导计算机并非白日做梦。

━━━ ━━━

就在这时， 巴克的研究项目以及他的雄心壮志都在迅猛扩大。他坚信，他能够借助微小型技术制造出一台含有上万个冷子管的计算机。这台计算机的计算能力将与当时世界上最先进的数字计算机“旋风”相差无几，但是“旋风”需要许多个装满电子设备的房间，而且它的耗电功率高达150千瓦。

实际上，这位28岁的工程师是计划将“旋风”计算机浓缩为收音机大小，并浸入装满液氮的桶中，使其运行时的耗电量不高于圣诞树彩灯。虽然他的想法大胆而又冒险，但是他的雄辩、热情以及取得的成绩却成功说服了同事们，让他们相信冷子管是可取的。

至此，冷子管研究已经成为巴克在麻省理工学院林肯实验室的正式工作。在继续研究体积更小、速度更快、功率更低的冷子管的同时，巴克又开始开展一项大型计算机存储器研究项目。在该研究中，现有冷子管的较慢的开关速度并不会对存储器产生影响。

巴克计划使用7.5万个冷子管打造一个我们今天所说的内容寻址存储器。当时，巴克将该存储器命名为“认知单元”。这是因为计算机会对每一个存储器位置进行排查，以确定其中是否含有所需要的信息。

这样一款存储器在密码分析方面拥有卓越的优势。对于密码分析而言，确认模式往往是最重要的。我猜想巴克制造这样一款存储器的动机源于他早期曾在美国海军从事密码破译机器方面的研究以及他在麻省理工学院期间为刚刚成立的美国国家安全局（NSA）提供咨询工作的经历。无论如何，他研制的全冷子管认知单元仅有手提箱那么大，但其容量却高达3.2千字节，几乎相当于“旋风”计算机的磁芯主存储器的容量。

1955年年中的时候，当巴克正准备申请冷子管专利时，有关他准备研制内容寻址存储器的消息在美国的密码逻辑和计算界慢慢流传开来，并引起了业界极大的兴趣。在当年7月份，IBM公司负责电子计算业务的副总裁约翰•麦克弗森（John McPherson）在写给巴克的信中表示，NSA的首席密码专家威廉•弗里德曼（WilliamFriedman）对巴克的超导计算机元件“非常感兴趣”。

就在收到麦克弗森的来信后没几天，巴克便提交了专利申请。这项关于“磁控门元件”的专利主张范围很广，既包括冷子管本身，也包括冷子管在计算机中的应用。

这时，巴克的冷子管研究工作已经迈出麻省理工学院，虽然还没有走出纪念大道。他与合约研究公司亚瑟•D•理特公司（Arthur D. Little）签署了一份冷子管技术咨询协议。理特公司的创始人曾是麻省理工学院的一名化学家，以他的名字命名的这家咨询公司毗邻麻省理工学院，在20世纪50年代成为用于生产液氮的低温恒温器的领先制造商。在NSA的赞助下，巴克和理特公司的研究人员从尺寸较小的概念验证性存储器阵列入手，开始研发冷子管认知单元。

除上述工作外，在1955年剩余的时间中，巴克在麻省理工学院的个人冷子管研究工作主要是利用蒸发薄膜制造微型冷子管以及集成冷子管阵列。与缠绕细电线的方式不同的是，巴克希望透过一层类似于蜡版的掩模将金属物质蒸发在基片上，以形成一层具有固定图案的超导材料薄膜。然后，再透过另外一层掩模将控制线路蒸发在薄膜上。通过这种方式，巴克便可以印制出一连串的冷子管。

在筹备过程中，巴克测试了多种由铅、铋、锶、铟及其他元素的合金制成的薄膜。通过反复实验，他研制出一款厚度为100纳米、材质为铅—铋—锶合金的薄膜，这种合金薄膜可在0.1微秒内从超导状态转化为有电阻状态——该速度仅相当于当时最快的晶体管的十分之一。除此之外，巴克还设计出许多完全由冷子管构建而成的二值电路，包括触发器、门元件、多谐振动器、加法器和累加器。

在提交了专利申请并完成了重要的研究工作之后，巴克准备向全世界宣布冷子管的诞生。1955年11月，巴克向无线电工程师学会（IEEE的前身机构之一）提交了一篇题为《冷子管——超导性计算机元件》的论文。巴克在论文中详细介绍了绕线冷子管以及可以由绕线冷子管制成的各种基础数字电路，重点强调了这种超导性设备对于计算机制造的意义。他在论文中写道：“目前研发的冷子管可作为逻辑电路中的活跃元件使用。”此外，巴克还在论文中积极分享了他的坚定看法，即在不久的将来，“大型数字计算机的尺寸将可以控制在1立方英尺……而这样一台机器的功率却估计只有1.5瓦。”

然而，论文中有关开关速度的阐述却有些含糊其辞：“目前，该设备的开关速度比电子机械继电器略快，但远慢于真空管和晶体管。旨在提高其速度的项目正在进行之中。”尽管当时巴克已经完成了对开关速度可接近最快晶体管的薄膜冷子管的测试，但他并未将该进展以及正在进行中的有关冷子管认知单元的工作公之于众。

当巴克的文章刊登在《无线电工程师学会学报》（1956年4月）上时，他已在定期制造和测试薄膜冷子管。在理特公司开展的有关概念验证性冷子管存储单元的工作也在进行之中，NSA工程师阿尔伯特•斯雷德（AlbertSlade）则开始在巴克的指导下开展自己的冷子管电路研究。

就在此时，巴克向冯•希佩尔教授提交了他的博士论文大纲。大纲的内容完全在意料之中：巴克将详细研究超导材料的蒸发薄膜，并探索如何控制薄膜的厚度与几何布局，以便制造出具有较快开关速度的冷子管。冯•希佩尔教授对这一有望很快取得斐然成果的计划给予了认可和赞同。

在1959年去世之前，巴克一 直身处集成冷子管微电路的开发热潮之中。例如，阿尔伯特•斯雷德离开NSA加入理特公司，从事冷子管认知单元的研究工作。而另外一名NSA研究人员郝瑞斯•夏普•曼（Horace Tharp Mann）则在巴克的咨询帮助下开始研究蒸发薄膜冷子管。1957年，IBM和RCA均发起了由NSA资助的高速薄膜冷子管电路开发项目。通用电气也积极投身这一开发热潮，自行出资开展冷子管研究项目。此时仍是一名麻省理工学院研究生的巴克遭遇了激烈的竞争。

按照他的一贯作风，巴克应对这些挑战的做法便是设置更高的研究目标。为此，他与同样作为冯•希佩尔教授的麻省理工实验室成员的凯尼斯•R•舒尔德斯（Kenneth R. Shoulders）合作开展研究工作。当时，舒尔德斯一直为一项不同方向的创新积极努力——使用电子束“微磨”或刻蚀极小微电路。后来被人们命名为电子束光刻的这一技术成为了制造硅微芯片不可或缺的工艺。早在20世纪50年代中期，舒尔德斯便计划制造100纳米级的电子设备——这种比病毒还要小的外形尺寸比当时人们试图制造的任何事物都要小若干数量级。舒尔德斯的志向与巴克意欲通过微型化工艺提高冷子管速度以及研制大规模集成冷子管阵列的想法相得益彰，不谋而合。

在共同工作期间，舒尔德斯负责探索操控电子束的不同方法，而巴克则对多种超导合金以及用于电子束刻蚀的抗蚀材料进行评估。这对工作搭档在1958年年中分道扬镳，当时，巴克获得了博士学位，开始在麻省理工学院的电子工程系担任助理教授，而舒尔德斯则离开了麻省理工学院，加入了位于加州门洛帕克的斯坦福研究所。

作为两人合作的巅峰成就，巴克和舒尔德斯在1958年12月的东部联合计算机会议上提交了一篇题为《微型印制系统制造方法》的论文。该论文阐述了两人对于高度集成微电路未来发展的信心。他们在论文中写道：“在不久的将来，数字计算机将不再是由上千个单独制造的零件组装而成的插接部件，相反，整台计算机或计算机的大部分将在一个环节中制造完成。”

论文提交5个月后，巴克突然离世。在1959年5月18日的最后一次实验室笔记中，巴克记录了他在硼薄膜沉积方面的工作。在接下来几天里一直饱受呼吸困难之苦的巴克最终在5月21日去世了，距离他过完32岁生日还不到一个月。

尽管巴克当时的死因是病毒性肺炎，但我还是认为他的离世可能部分归咎于他所开展的沉积实验。巴克在5月18日的工作涉及两种需极度慎重处理的物质。他使用的硼元素的来源是三氯化硼气体，同时，硼薄膜沉积的过程会产生氯化氢气体。吸入任何一种气体都会导致极其严重的肺水肿，其症状与肺炎相似，更不要说两种气体都吸入。而在麻省理工学院学习这方面的知识时，巴克并未成为一名化学家。他可能没有意识到危险所在，或没有安全处理这些气体的充足实际操作经验。无论如何，巴克的逝世对他的同事而言都是一个极大的悲剧。

━━━ ━━━

但是， 冷子管的研究并没有随巴克离世而终止。为制造冷子管计算机而付出的巨大努力延续到了20世纪60年代。曾在NSA开展薄膜冷子管研究工作的曼后来在20世纪50年代末加入了位于洛杉矶的TRW公司空间技术实验室。在1966年之前，曼一直在该实验室研究用于制造薄膜冷子管的电子束光刻法。而理特公司的研究人员则继续开发冷子管存储阵列，以便打造巴克的认知单元。

与此同时，在20世纪60年代早期的这段时间里，通用电气、IBM和RCA开发出了薄膜冷子管微电路，以用于计算机存储器的微电路为主。在1961年时，通用电气的研究人员利用薄膜冷子管制造出一款工作集成移位寄存器，与当时的硅集成电路的复杂程度不相上下。在此后两年的时间里，通用电气制造的冷子管微电路在集成程度上超越了硅微芯片。他们的研究人员甚至还利用三个集成冷子管阵列组装出了一台实验性工作计算机。

尽管冷子管研究取得了如此之多的成就，但是，硅微芯片在20世纪60年代的飞速发展，特别是其有效降低电子设备成本的能力，却抹杀了冷子管的一切优势，数字计算机几乎全部采用硅逻辑电路和磁芯存储器。到20世纪60年代中期，大部分冷子管研究人员纷纷放弃了超导开关，开始将注意力转移到硅晶片。

然而，有些研究人员却仍在坚持。他们开始重点关注可以体现出一种量子力学现象——约瑟夫效应的特殊冷子管。在20世纪70年代早期，IBM的研究人员研发出一款被称为约瑟夫森结的改良冷子管。这种冷子管是IBM公司在制造超导计算机过程中的重点研究对象，且研究工作持续到了20世纪80年代。目前，约瑟夫森结依然是IBM公司及其他组织机构开展量子计算研究的基础。

所以说，巴克研发的冷子管从未真正消失，而是在硅微芯片的阴影下以不同的形式和名称续存下来。我们只能够猜测，如果巴克可以活得更久一些，他还能研究出些什么呢？

今天是《半导体行业观察》为您分享的第1552期内容，欢迎关注。

关注微信公众号 半导体行业观察 ，后台回复关键词获取更多内容

回复 兆易创新 ，看与兆易创新公司相关的文章

回复 摩尔定律 ，看更多与摩尔定律相关的文章

回复 材料 ，看更多与半导体材料相关的文章

回复 面板 ，看更多面板行业的文章

回复 晶体管 ，看更多与晶体管相关的文章

回复 晶圆 ，看晶圆制造相关文章

回复 士兰微 ，看更多与士兰微公司相关的文章

回复 封装 ，看更多与封装技术相关的文章

回复 展会 ，看《2017最新半导体展会会议日历》

回复 投稿 ，看《如何成为“半导体行业观察”的一员 》

回复 搜索 ，还能轻松找到其他你感兴趣的文章！

点击阅读原文了解摩尔精英