向集成电路计算机进军的回顾

计算机的结构和组装是专业技术,也是一种艺术表达,排列整齐的机柜代表了一种工艺风格,和城市建筑一样,也有体量布局、层次形态和艺术手法。整机形体和机箱、插件板的结构,都随着材料和工艺的发展而表达出时代特征。设计师花费了大量心血,在有限的空间里构成绚丽多姿和精心安排的文化表达。组装工艺的持续进步,是一个行业的坚守,是一种意志的付出,更是一生的追求。计算机组装的设计者、生产工艺操作者也是大师,给予组装和研制外部设备的工程技术专家、技师、技工任何一种评价与称号,都是当之无愧的。

1958 年夏天,美国仙童半导体公司的诺伊斯与德克萨斯公司的基尔比分别发明了集成电路,各自使用硅和锗做出了集成电路,开创了世界微电子学的历史;1961 年,德克萨斯公司和美国空军制出了第一台实验性的集成电路计算机。集成电路与计算机技术的发展相互促进,集成电路的性能不断提升,它的自动测试技术和计算机的组装在相邻工序上形成一波又一波的合作与挑战。

20 世纪60 年代中后期,中国人开始向集成电路计算机进军。根据“四项紧急措施”的部署,1956 年应用物理所半导体研究室,在王守武、吴锡九等领导下,开展半导体锗的研究工作,完成锗单晶的提纯、掺杂工艺和锗晶体管研制,参与者有二机部华北无线电元件研究所、南京工学院等单位。到1958 年初,已能够控制锗单晶的导电类型、电阻率以及少数载流子寿命,达到了器件生产对材料的要求。

1958 年8 月,用合金扩散法研制成功中国第一批锗高频晶体管。中科院计算所随即与中科院物理所(1958 年10 月8 日,由应用物理所更名而成)协作研制锗晶体管109 乙计算机,并商定物理所半导体研究室所属的中间试验厂改名109 厂,承担计算机晶体管批量生产任务。

向集成电路计算机进军的回顾

1980年代,王守武院士出任中科院109厂厂长,图为他(左一)在超净线工作。

1965 年,阎沛霖所长从所内抽出半导体厚薄膜组件研究室,并从中科院六个单位调入专业人才,建立直属中科院的156 工程处,专门从事使计算机微小型化的研究工作。黄令仪回忆说,1965 年8 月,科学院的“集成电路空间计算机”动员大会上,党组书记兼副院长张劲夫在台上来回走动,激动地挥动双手说:“我提着脑袋把任务给你们要来了,你们要好好干!”会上宣布,成立计算所二部,亦称“156”,我们在台下,亦热血沸腾!日夜奋战的“灯火辉煌156”,一直流传下来。1966 年秋研制出我国首台基于厚薄膜电路的原型弹载计算机,不久工程处改建成隶属于七机部的陕西(临潼)微电子学研究所(771 所),是阎沛霖亲自选点的,曾参与计算所筹备的何绍宗曾任该所所长(1978 年)。

吴几康和沈绪榜认为,156 工程处不仅完成了使用厚薄膜电路的组件计算机,更重要的是培养了一支计算机与集成电路工艺相结合的科研队伍。

1965 年冬,哈军工和中科院半导体所合作在王守觉教授领导下,研制成硅平面管和集成电路,030 计算机采用集成电路仅比国外晚两年。哈军工的030 研制组在北京奋斗数年,1966 年4 月研制出了早期的二极管逻辑集成电路(DTL),完成了计算机运控设计。

当时,半导体存储器刚刚萌芽,研制组毫不犹豫地用它替代了传统的磁芯存储器。存储器电路和系统研制工作是哈军工六期学员苏长青等担负的,周兴铭承担这项任务的前期工作,金士尧牵头完成后续部分。王守觉的研究生林雨设计了用直接耦合逻辑触发器构成的存储器,每块芯片上当时能做四个存储单元。

1971 年3 月, 哈军工与中科院半导体所和109 厂分别签定研制718 工程中心计算机的超快速存储器和TTL 高速逻辑电路协议。这一年,使用集成电路的中科院计算所的111 机、十五所的112 机基本试制成功。

1973 年,738 厂、北京大学和石油部地球物理勘探局完成150 机(DJS-11),华东计算所完成655 机,标志我国集成电路计算机的起步。878 厂用于150 机的集成电路失效率从十万分之一降低到二百万分之一。

王守觉领导的80多人的第二研究室研制成功硅平面晶体管,获得科学一等奖,随后成果接连。

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2013年,首都师范大学物理系科技史教研室承担中科院半导体研究所王守觉院士学术成长资料采集工程项目。

林雨,1962 年自南京大学物理系毕业,考入中科院半导体所攻读王守觉的研究生。导师指导他学习电子计算机原理,超高频技术等,培养操作能力。

1968 年,林雨到东北某农场劳动一年半,他继承导师的钻研精神,坚持业务学习,“大批判”开会时端坐不语思考的是数理问题,休息时动笔,带着《计算机原理》《晶体管在实验室应用》和《集成电路》三本总结回到北京。

1974 年下半年,国家工业部门和中科院组织大规模集成电路会战,林雨奉命担任高性能大规模集成电路半导体存储器功能测试仪的主设计和总调试。1975 年10 月,集成电路测试仪研制成功,达到了每秒500 万条信息的水平。他们在北京市无线电仪器厂坚持4年工作,研制出几种测试仪。林雨完成了“双层逻辑电路”,在王守觉指导下,使用独创的“拼图法制板”,取得了大规模集成电路掩模板的成果。半导体所二室学风甚浓,林雨、夏永伟、马佐成、潘国雄、葛璜等一群年轻人,承担了MOS 小规模、中规模集成电路的研制工作,MOS 可靠性课题组组长夏永伟,一心攻克卫星轨道参数存储器使用的集成电路“失效难关”,终获突破。1978 年,全国科学大会为此颁发重大成果奖。

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1978 年,全国青年联合会的科技委员聚会,后排半导体所林雨(右一)、电信传输所徐祖哲(右三)、计算所倪光南(右四),前排数学所杨乐(右三)、中科院计算中心孙家昶(右四)。

集成电路的使用初期,并没有使计算机的设计思想有所突破,技术人员要为组装计算机的整个生产过程绞尽脑汁地设计、加工和替代。“组装”成为一个专业,拥有越来越大的一支队伍。中科院计算所开始搞“组装设计”是在1957 年,从接收苏联的计算机图纸开始,“组装”必不可少。

1958 年,研制104 机时,王克本领导的中国第一个八层印刷电路板研究与设计小组做出出色的成绩,那时通常是用单面板,双面已经算先进了。1974 年,在013 机设计中,通过折算机柜容量与尺寸优化,找到机柜的最佳统一尺寸,成功设计出标准化机柜。“组装”领域,早期带头人为姚锡珊、莫根生、白经天、王玉道、解桂芬、陈立忠等,都是知名专家,在前三十年中,从仿制开始设计了二十多个型号的计算机。从保障机器正常运行的环境开始,到易于加工、运输、维修,从底板、风道、插针、插孔、汇流条、簧片,几十种结构,在机柜、抽屉、风室的微小空间中,保持着电流、脉冲和通风的顺畅,保持着应有的温度,防范各种干扰和震动。摩尔定律并非就能让计算机的研制变得简单,每一种机型的组装工作都要在摸索中达到尽善尽美。当集成电路的脚达到300条、500 条时,不仅单面安装,还要双面安装,面对八层印刷电路板的时候,组装工艺就是大师水平。

计算机的结构和组装是专业技术,也是一种艺术表达,排列整齐的机柜代表了一种工艺风格,和城市建筑一样,也有体量布局、层次形态和艺术手法。整机形体和机箱、插件板的结构,都随着材料和工艺的发展而表达出时代特征。设计师花费了大量心血,在有限的空间里构成绚丽多姿和精心安排的文化表达。组装工艺的持续进步,是一个行业的坚守,是一种意志的付出,更是一生的追求。计算机组装的设计者、生产工艺操作者也是大师,给予组装和研制外部设备的工程技术专家、技师、技工任何一种评价与称号,都是当之无愧的。

王守武(1919年3月15日-2014年7月30日),江苏苏州人,半导体器件物理学家、微电子学家,中国半导体科学技术的开拓者与奠基人之一。1941年毕业于上海同济大学,1945年赴美留学,1949年获美国普渡大学博士研究生学位,1950年回国后先后任中科院应用物理所半导体研究室室主任;中科院半导体研究所副所长;中科院109厂厂长;1980年当选为中国科学院院士

王守觉,祖籍江苏苏州,1925年6月27日生于上海,半导体电子学家。1949年毕业于同济大学;1957年,被派往苏联科学院列宁格勒列别捷夫研究所进修;1980年,当选为中科院院士;长期从事半导体与信息科学研究工作。2016年6月3日在苏州逝世,享年91岁。

向集成电路计算机进军的回顾

1957 年8 月11 日,北京大学数学力学系计算数学专门化第一届毕业生合影。左起:前排教师,常兴华、徐萃薇、林建祥、段振华、徐献瑜、段学复、董铁宝、胡祖炽、张世龙、吴文达、杨天锡;沈绪榜后排左二。

【本文原载微信公众号“计算机六十年”】

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