冷战时期结出硕果

在二战期间，美国政府和国会的决策者们就意识到了科技发展对国家前途的重要性。通过二战所获得的战争红利，以及世界各地，尤其是欧洲和亚洲，源源不断来美国避难的高端人才，美国在电子技术、计算机、核弹等各种最先进技术的发展上都取得了先机。为了进一步巩固科技发展方面的优势，美国国会在二战结束后，继续贯彻国家投入的方式来支持科技发展。因为在二战期间招募了大批科研人员，为了留住这些人才，让他们继续从事尖端的科学研究，美国海军在1946年通过国会批准成立了海军研究办公室（Office of Naval Research, ONR）。在后来的国家科学基金（National Science Foundation）设立之前，海军研究办公室成为引领美国科技发展的主要力量。1948年年底，海军研究办公室的规模达到高峰，雇佣了1000多名科学家，资助着美国40%的基础研究项目，年经费达到4300万美元，为该时期计算机技术进一步发展提供了重要的资金支持。

自20世纪50年代开始，以UNIVAC为代表的第一代商用电子计算机出现后主要应用于数据的高速批处理，但是没有提供人机互动的功能，限制了计算机在应用领域的进一步扩展。可是当时没有公司能够负担起研制人机互动计算机的巨大成本。不过此时美苏两国开始进入冷战时期，计算机技术的发展再次成为双方研发冷战军事技术的重要前提。于是军方项目再次成为计算机技术发展的下一个重要目标——人机互动电子计算机发展的主要经费来源。

人机互动技术的研发最早可以追溯到二战结束前的1944年在麻省理工学院立项的旋风计算机系统（Whirl Wind）。1944年，由于欧洲和太平洋战场对大批飞行员的需求，美国海军希望开发一套模拟飞行系统来给新飞行员提供不同机型的培训，缩短培训时间，减少培训成本。另外，美国海军还希望通过飞行员与模拟系统的互动数据，改进飞机的设计。当时军方技术总研发负责人将7.5万美元的该项目可行性合同研究给了麻省理工学院的伺服机构实验室（MIT Servomechanisms Laboratory）。该实验室年轻的研究人员杰伊·福里斯特（Jay Forrester）负责起草设计，并很快就成功提交了一份预算为87.5万美元的设计方案。方案获得海军通过后，福里斯特成为该项目的正式负责人，这就是旋风项目。旋风项目本来预计18个月开发完成。但不久，福里斯特就发现实际的开发远远比想象的要困难。由于旋风项目需要计算机能够根据飞行员的反应和空气动力学原理来不断调整飞行参数，所以它处理的是不断变化的飞行员驾驶产生的信号数据，然后根据流体力学计算出相应的反应信号，这要求计算机具有很强的数据处理和及时将结果输出的实时反应能力，整个系统的反应速度成为最关键的问题。还有就是当时的计算机都是将计算结果打印输出，而旋风系统需要将结果通过视频显示系统输出，这一新需求构成了对计算机反应速度的更高要求。

福里斯特在开始该项目的时候不了解电子计算机的发展新动态，所以他们的最初设计方案是用类似于分析机的计算器处理模拟信号来实现该系统，但一般的模拟计算器在速度、准确性和灵活性方面都达不到项目的要求，如果想要继续这一设计思路的话，计算器的设计体积将过于庞大，可能根本无法实现。于是福里斯特的小组急于寻找新的解决方案。这时二战已经结束，恰巧在1945年10月麻省理工学院的一次学术交流会议上，福里斯特发现了正在宾夕法尼亚州大学进行的ENIAC电子计算机的设计。他们发现使用数字信号的电子计算机可以通过增加软件代码，而不是硬件部件来提高飞行模拟系统的准确性，另外，如果运算和反应速度足够快，就可以在只改变软件代码的情况下提供不同的模拟机型飞行环境，这些特点都满足他们对系统设计的要求。于是在做出使用数字电子计算机实现该项目的决定后，福里斯特和罗伯特·埃弗里特（Robert Everett）在1946年春天向海军提交了修改后的设计方案。在这份新的方案中福里斯特他们表示麻省理工学院将在1950年提交一套数字电子计算机模拟飞行系统，总预算为240万美元。海军同意了该修改方案，并在随后的近两年时间里先后投资了120万美元用于该项目。这使得福里斯特的团队用了将近两年的时间根据冯·诺依曼架构设计出了旋风电子计算机。

由于应用领域不同，旋风计算机在设计方面有着跟当时其他计算机显著的不同之处。首先，当时的电子计算机采用的都是48～60位的长字节，在传输时是将每个位（bit）信号按顺序一个一个传输。而旋风电子计算机的字节长度只有16位，并且采用了位并行（bit parallel）的传输模式，也就是同时传输16位字节信号。由于采取了短字节和并行传输的方式，旋风电子计算机在信息传输和处理速度上要比其他计算机快很多。虽然因为字节短，无法进行很精确的数值计算，但是它已经足够满足模拟飞行所需要的计算精度。这一设计原则成为后来小型机和个人计算机的架构设计原则。另外，旋风电子计算机在机器指令执行方面的设计给了英国计算机专家莫里斯·威尔克斯（Maurice Wilkes）灵感，促成了后者设计出了中央处理器的微程序（Microprogramming）架构。

1948年6月，当旋风电子计算机设计完成开始进入组装时，资助出现了问题。由于海军研发政策的调整和前面提到的新的海军研究所的成立，旋风项目的资助和管理在1948年中期转到了该研究所的数学项目分支下面。虽然旋风项目已经从海军那里获得了120万美元的资助，但是接下来福里斯特他们将1948年7月到1949年9月的预算增加到180万美元，这使得整个旋风项目在1949年的资金预算达到150万美元，这相当于整个数学项目总预算的80%和整个海军研究所该年总预算的10%。当时海军研究所资助了整个美国绝大多数军方的计算机研究项目，旋风项目成为耗资最大的一个。相比之下，冯·诺依曼在普林斯顿负责的IAS计算机研究项目到1950年的总预算不过65万美元，而且麻省理工学院具体负责旋风项目的福里斯特和他的小组成员只不过是一群研究生。尽管麻省理工学院在美国海军有着深厚的人脉联系，但面对来自其他大学和研究机构的压力，海军研究所最终决定将旋风项目的1949年预算缩减为120万美元，然后将1950年的预算进一步减为75万美元。

旋风计算机从1948年开始组装，一共有包括70名工程师在内的175名工作人员参与了组装工作。但这时福里斯特他们仍然面临一个重要挑战。旋风计算机已经采用了当时最先进的磁鼓内存，而且30微秒的反应速度已经比当时的计算机快很多，但是仍然没有达到6微秒的理想设计要求。福里斯特意识到内存是计算速度的瓶颈。转眼到了1949年春天，他碰巧在杂志上看到了一条阿诺德工程公司名为Deltamax的新型可逆磁化材料广告。这种磁性材料可以在一定强度的电流通过时，形成磁性，并且在电流再次通过时，磁性消失并放出电脉冲。这一最初为纳粹德国研制的技术在二战后被美国所得，并且使用在当时的计算机设计中，不过并没有用来作为内存。福里斯特如获至宝，他立即找来该种材料，并让他的学生威廉·帕皮安（William Papian）研究这种磁性材料做内存的可行性。1950年8月，帕皮安将研究结果以题目为“A Coincident-Current Magnetic Memory Unit”的硕士毕业论文形式提交。该论文描述了磁芯存储器的概念和如何将这些磁芯内核以平面阵列形式结合，然后连接成三维组件来储存信息的方法。帕皮安先在1950年10月制造出了一个2×2阵列可以运行的磁芯内存，1951年年底又制造出了16×16阵列的磁芯内存，这一原型随后被改善，成为旋风的新内存，从而解决了内存反应速度慢的问题。

内存问题的解决成为旋风计算机对早期人机交互计算机发展的最重要的贡献。当时考虑使用磁芯内存的不仅仅是福里斯特。早些时候，海军在哈佛大学资助的物理学讲师霍华德·艾肯（Howard Aiken）的Mark计算机项目中两个中国留学生，1940年毕业于上海交通大学后移居美国的王安和路东宇也在研究如何用磁芯做内存，并在1949年成功设计出了另一种磁芯内存以及从中读取信息后重新写入的方式，由此获得了相关的专利。后来IBM以50万美元购买了王安的专利。而王安创立的专门生产企业办公系统的王安电脑公司在20世纪70年代的美国一度成为最有影响力的计算机公司。IBM在经过了好几年的专利诉讼官司后，1964年又以1300万美元的价格从麻省理工学院那里获得了福里斯特和帕皮安设计的磁芯内存的专利。磁芯内存的发明不但节省了内存的成本，而且极大地提高了电子计算机的反应速度。虽然20世纪70年代后大多数计算机的磁芯内存被半导体内存逐渐取代，但是即便到目前，在极端天气情况下，磁芯内存仍然是最可靠的内存选择。除了磁芯内存外，旋风计算机还有几个主要的技术突破为计算机发展做出了重要的贡献，这些创新包括通过真空管的自动校验方式提高系统的稳定性，采用阴极射线管做显示器实时显示模拟系统的信息，使用新的数字开关提高系统反应速度等。

1951年，整个旋风系统组装完毕后开始运行。旋风计算机的研制前后花费了美国海军300多万美元。由于支出超标，而且美国海军在此时已经对旋风计算机不再感兴趣，所以没有再继续支持旋风二号的升级计划。但是在1949年旋风项目经费出现困难之时，麻省理工学院已经开始和美国空军接洽，获得12.2万美元的评估经费来研究将旋风计算机用于空中交通控制系统的可行性，这一策略为后来将旋风计算机纳入赛奇系统（SAGE）做好了铺垫，而赛奇系统是货真价实的冷战产物。

赛奇系统的立项背景是1949年8月苏联的热核试验成功以及1950年6月的朝鲜战争爆发。这两起事件使得美苏关系进入冷战时期。当时美国因为已经近百年没有发生过本土战争，所以防御系统还处于比较原始的水平。而苏联核试验的成功和航空技术的成熟让美国政府担心苏联空军可以通过携带核弹头的轰炸机，跨过北极圈，直接轰炸美国本土，于是提高防空技术和对空袭的高速反应成为美国空军的当务之急。

20世纪50年代初的美国空军依靠人工操作雷达监控来预警。一旦发现敌情，监控中心就通知战斗机起飞拦截。但当时美国的监测技术比较落后，无法有效监控低空飞行的飞机，而且即便苏联轰炸机被发现，如果预警时间太短，战斗机在短时间内上升不到轰炸机的高度，也阻止不了对方的空袭。还有一个致命的问题就是，美国边防雷达的通信方式使用的是高频无线电，靠地球大气层的电离层传播，如果发生核爆炸的话，电离层受影响，雷达信号的传播就会紊乱。所有这些意味着美国军方急需升级自己的防空系统。这次又是麻省理工学院受命进行了研究，并在1950年秋天向美国空军提交了创建一套新的雷达防空系统的可行性报告。该报告很快获得了批准，新的防空系统项目被命名为“林肯计划”。为了该项目的研究，美国空军在麻省理工学院拨款兴建了后来大名鼎鼎的林肯实验室（Lincoln Laboratories）。而这一新的雷达防御系统被命名为“赛奇防空系统”，地面控制人员通过雷达扫描和计算机自动信号处理所提供的敌方飞机信息来指挥己方的防空系统进行抵御。赛奇防空系统成为冷战时期美国最著名的军工项目，它和后来的阿帕网结合在一起成为大众媒体的科幻对象。30多年后施瓦辛格主演的系列电影《终结者》里面出现了具有自我意识并且通过引发美苏核战而导致人类毁灭的“天网”智能计算机系统就是以赛奇系统为原型。

赛奇系统的核心是具备实时处理和人机互动功能的计算机。当时在挑选符合条件的计算机时，空军发现只有在1951年已经进入运行的旋风计算机符合赛奇防空系统的实时处理和人机互动要求，于是旋风二号成为赛奇项目的核心计算机，整个旋风计划也就此并入赛奇项目中。1951年旋风项目共获得了90万美元的资助，其中60万美元来自空军。

赛奇的设计方案包括预警雷达网和相关数据源（战斗机部署、导弹部署等）以及能够接收和处理雷达监控信号并给拦截武器导航的高性能计算机两部分。当预警雷达发现敌机信号后，敌机信号通过雷达的调制解调器自动传输给对应的指挥中心。这里的调制解调器也就是后来我们用电话线上网时能将模拟信号和数字信号进行相互转化的那个装置。那时候的雷达收集的是模拟信号，调制解调器将模拟信号转换成数字信号然后通过电话线传给指挥中心，由旋风二号改制的AN/FSQ-7计算机将信息过滤并显示在雷达监控屏幕上。指挥人员一边监控屏幕，一边用键盘输入指挥信息，这些信息指令被传递给空军基地、总指挥部、导弹基地和其他临近指挥中心。明确敌情后，指挥中心调配的战斗机起飞集结，拦截目标后将拦截结果通知总指挥部，同时部署导弹作为后备防御。

麻省理工学院根据旋风二号的设计方案制造出了该赛奇计算机AN/FSQ-7的原型后，把批量制造这种包含5.5万枚真空管，占地半公顷，重275吨，运行时耗电量3兆瓦的体积惊人的大型机的任务外包给了IBM。IBM从1958年开始为赛奇项目一口气制造了52台AN/FSQ-7。尽管如此庞大（到目前为止仍然是世界上体积最大的计算机），AN/FSQ-7的运算速度却只有75千赫（kHz）。不过这已经是当时最先进的实时计算机系统了。

除了硬件的体积庞大之外，赛奇在软件开发方面的组织管理方式也值得一提。赛奇软件系统一共有50万行汇编语言程序、2.5万条指令，平均每行程序的编写耗资50美元。空军将赛奇的软件系统合同给了兰德公司（Rand Corporation）。由于工程太大，能够胜任的软件人员又太少，兰德公司索性创立了系统开发公司（System Development Corporation, SDC）来专门从事赛奇软件的开发，该公司成为世界上第一家软件公司，在进行软件研发的同时还进行了软件工程的培训工作，为美国后来的软件产业培育了不少人才，也为大型软件工程的开发创立了一套有效的管理办法。系统开发公司后来被洛克希德收购，一直从事各种军方软件系统的开发。

虽然整个赛奇系统的开发耗资达80多亿美元（相当于2010年的600亿美元），但是后来IBM为美洲航空公司开发类似的实时系统时耗资却只有3千万美元，不到前者的1%，因为关键技术难题已经解决。美国政府的这种全民买单搞创新，然后由IBM等大公司拿去军转民赚钱的方式在后来的几次高科技领域创新中屡试不爽，对整个国家的生产力发展起到了很强的推动作用。具有讽刺意味的是，赛奇系统在1963年建成运行时，苏联的洲际导弹技术已经成熟，可以直接将导弹打到美国，已经不需要用轰炸机来运核弹头了。