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【Ken Shirriff 的博客】

计算机历史、复古计算机修复、集成电路逆向工程等内容

【为 IBM 604（1948 年的电子计算器）的模块通电】

1948 年在计算机发展历程中是个有趣的时期。几十年来，企业用机电式打孔卡设备进行加法和排序操作，机电继电器和计数轮被用于构建像哈佛 Mark I（1944 年）和 IBM 的 SSEC（1948 年）这样的通用计算机。然而，缓慢的机电机制逐渐过时。二战推动了电子技术与真空管的发展，电子技术被应用于大型电子计算机，如巨像计算机（Colossus，1943 年）和 ENIAC（1946 年）。第一台存储程序计算机——曼彻斯特宝贝（Manchester Baby）于 1948 年诞生。

IBM 604 电子计算打孔机位于 521 型卡片读写打孔机后方。注意 604 侧面和 521 前部用于放置插件板的面板。

在技术进步浪潮中，IBM 推出 604 型电子计算打孔机。乍看这像是倒退，它不是计算机，而是只能执行固定操作的可编程计算器。但它比计算机小得多，约双门冰箱大小，且价格低廉，每月租金 550 美元，企业和大学能负担得起。因采用真空管，它比机电设备强大，每秒能执行 60 次操作，包括乘法和除法。所以，IBM 604 大受欢迎，共生产 5600 多台。此外，IBM 在 604 上积累的电子技术经验，为其 20 世纪 50 年代真空管计算机的成功奠定了基础。

604 的创新之一是可插拔模块，它将真空管及其相关电路组合在一起。绝缘手柄用于在计算器中拆卸和安装模块。模块底部的九个引脚插入 604 的插座，插座通过背板布线连接。真空管也采用插座式设计，可快速更换损坏的管子。右侧的电阻器和电容器安装在模块内的绝缘片上。

604 使用几种不同类型的模块，这个模块采用了闸流管，它是特殊的真空管，可作为大电流开关。将这个模块接入电路并通电，下面的视频展示了该模块控制灯泡的过程。按下第一个按钮时，一个小信号被发送到模块，模块开启，灯泡点亮。闸流管会一直保持开启状态，直到切断电源，通过按下第二个按钮实现了这一点。

可插拔模块看似不起眼，却是重要的创新。此前，真空管设备通常由金属底盘构建，真空管安装在顶部，其他组件安装在底部。IBM 采用不同方法：可插拔模块，每个模块包含一个真空管及其相关组件。这些获得专利的模块结构紧凑，以三维方式封装组件。此外，通过使用少量标准化模块，可大规模生产，计算机也能在生产线上组装。维护和维修更简单，可通过更换模块找出故障模块，再用备用模块替换。这些模块很重要，IBM 在 604 的广告中特别突出了它们。IBM 在后来的真空管计算机中也使用了管模块，在高端的 700 系列计算机中使用了更大的八管模块。

【真空管与闸流管】

IBM 604 使用约 1250 个真空管。真空管有多种类型，典型的是三极管。三极管类似于晶体管，小的输入信号被放大以控制更大的电流。在晶体管中，控制信号施加在栅极上，控制源极和漏极之间的电流。在三极管真空管中，控制信号施加在栅极上，控制阴极和板极之间的电流。

加热器是一根灯丝，与白炽灯相似，它将阴极加热到约 750 ºC。在高温下，阴极发射电子。当板极上施加较大正电压时，带负电的电子被吸引，电子流使电流通过管子。电流由栅极控制，若在栅极上施加小的负电压，它会排斥负电子，阻止它们到达板极，从而阻断通过管子的电流。

闸流管与真空管类似，但内部含少量氙气，能处理更大的电流。与三极管一样，闸流管由栅极控制。然而，当电流开始通过闸流管时，氙气被电离，氙等离子体传导电流。与真空管不同，栅极无法阻止电流流动。一旦气体被电离，闸流管会一直保持开启状态，直到切断电源，气体在微秒内去电离。

在视频中能看到这种现象。按下第一个按钮时，小的控制信号使气体电离，管子开启。电离气体中的大电流使灯泡发光。灯泡一直亮着，直到按下第二个按钮短暂切断电源，气体去电离，管子关闭。

展示的 2D21 型闸流管是微型 7 针管，能看到管内的板极，其他组件被板极遮挡。管子顶部的深色污渍是“吸气剂”，用于吸收管内的杂质。

在 604 中，闸流管驱动继电器线圈，并为在卡片上打孔的电磁铁供电。其他 IBM 系统也使用这些闸流管，如 IBM 83 卡片分类机使用闸流管作为短期存储器，以记录卡片上检测到的孔。

【结论】

IBM 604 在机电会计机器和电子计算机之间占据独特地位。它有电子计算机的速度，但仍是计算器，缺乏计算机的一些特性，如循环、内存和存储程序。尽管有局限性，604 仍取得巨大成功，并催生了 IBM 的其他重要产品。

1949 年，IBM 对 604 进行扩展，使其能通过打孔卡与插件板结合进行编程，即卡片编程电子计算器。这个系统不算完全的计算机，但在洛斯阿拉莫斯国家实验室等地方，它在科学计算方面很有用。1953 年，IBM 推出 604 的继任者——IBM 650。与 604 不同，650 是可编程的通用计算机，成为 20 世纪 50 年代最受欢迎的计算机。

Eric Schlaepfer（TubeTime）有一箱 IBM 650 模块，希望很快能为它们通电。可在 Bluesky、Mastodon 或 RSS 上关注获取最新消息。感谢 CuriousMarc 进行大量铣削工作，制作了插座和彩色分线盒来放置模块。

AI 声明：尽管文章中使用了破折号，但本文写作未使用 AI。

【注释和参考资料】

1. 有关 IBM 604 的信息，可参阅操作手册，客户工程指导手册解释了电路原理。有关 604 发展的信息，可参阅 IBM 的早期计算机。关于应用的详细描述，可参阅这篇石油工程文章，该文章介绍了如何使用 604 预测石油资产的盈利能力。

2. IBM 604 从打孔卡读取数字，执行最多 60 次操作，并将结果打在打孔卡上。每张卡片重复此过程，每分钟处理 100 张卡片。IBM 604 不是存储程序计算机，没有代码，通过将电线插入插件板进行编程。下面的插件板插入 604，另一个两倍大小的插件板插入卡片打孔单元，以控制读取和打孔 80 列打孔卡的哪些列。从插件板能看到，左侧标有“PROGRAM”的列，每一行对应一个编程步骤。从该行引出的电线连接到该步骤要执行的功能。该系统支持条件语句，通过右侧的计算器选择器可更改或跳过某一步骤的操作。选择器是一种继电器，可根据控制输入沿两条路径之一发送信号。有关插件板的更多信息，可参阅操作手册。

3. IBM 604 重 1310 磅，附带的 521 卡片读写打孔机重 670 磅。该系统功率为 5.5 千瓦。真空管很耗电，使用的模块仅加热器就需要 3.75 瓦。

4. 对 MD7A 闸流管模块进行逆向工程，创建了下面的原理图。黑色引脚编号是模块引脚（1 - 9），红色引脚编号是管引脚（1 - 7）。在实验中，在板极（引脚 5）上施加约 100 伏的电压为模块供电。使用模块的引脚 3 作为输入，施加约 8 伏的电压来触发闸流管。引脚 4 是输出，当闸流管触发时被拉高。将灯泡连接在引脚 4 和地（引脚 6）之间。忽略了引脚 7、8 和 9。

5. 闸流管的一个缺点是需要切断电源才能关闭它。在 604 中，卡片读写打孔机中的机械凸轮会激活一个微动开关来切断电源。

6. 闸流管的行为与可控硅整流器非常相似。这种半导体器件也被称为晶闸管，是闸流管晶体管的简称。

7. 闸流管内的氙气压力非常小，仅为 0.05 托，不到大气压力的 1/10000。相比之下，真空管具有高得多的真空度，约为 10⁻⁶ 托。一些高功率闸流管使用汞蒸气，工作时会发出蓝光。相比之下，氙气管除了灯丝发出的橙色光外，没看到它发出其他光。

8. 2D21 闸流管的引脚图如下所示，数据手册在此。闸流管使用与真空管相同的符号，但大黑点表示管内存在气体。2D21 管有两个栅极，从技术上讲它是一个四极管。第二个栅极通过屏蔽控制栅极与阴极和板极之间的电容，提高了性能。在实验中，忽略了屏蔽栅极。604 还使用了一些五栅管，有多达五个栅极：两个控制栅极、两个屏蔽栅极和一个抑制栅极。

【评论】

Anonymous 说：按照今天的标准，它当然显得原始且效率低下，但在当时，它可是一项节省时间的现代奇迹！未来 25 年又会带来什么呢？

ecm 说：脚注 3 中提到“系统使用 5.5 KW 的功率”，“k”表示千时通常不使用大写，除了“KB”（JEDEC 规定为 1024 字节）和“KiB”（IEC 规定为 1024 字节）。特别是在国际单位制（SI）中，“k”表示 1000 时用小写。

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