達德利?巴克和不曾誕生的計算機
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二戰硝煙散去不久，全世界的電子工程師們都在努力解決一個非常基礎但卻一直懸而未決的問題：應該如何製造電子數字計算機？邏輯電路最適合哪種開關？主存儲器該使用何種材質？
工程師們在若干備選項中很快選中了快速真空管來製作基本邏輯開關，每台機器都需要使用數千個這樣的開關。（當時，晶體管才剛剛在貝爾電話實驗室問世，還不是一個成熟的備選方案。）而最早的計算機系統中的主存儲器也存在多種多樣的選擇：專用陰極射線管、水銀管以及塗有磁漿的旋轉鼓。但是，在20世紀50年代早期，技術界開始重點關注另外一項存儲技術——磁芯。這些鐵磁材料製成的小圓環在不同方向磁化時，每個圓環都可以攜帶一個單比特數據。
在20世紀50年代中期，採用真空管邏輯元件和磁芯存儲器的大型電腦主機成為剛剛步入萌芽階段的電子數字計算機的主流。隨著時間的推移，真空管被晶體管取代，而後又發展成分立式晶體管，最終邏輯存儲器和主存儲器都選用了硅集成電路。但是這並非一個必然的發展進程。在20世紀50年代及60年代初期，一批批的工程師們都在積極地探索完全不同的數字計算機製造方法。
達德利?艾倫?巴克（Dudley AllenBuck）便是最早開展探索的研究人員之一。巴克自1950年開始在麻省理工學院工作，在1959年突然逝世，年僅32歲。巴克為微型電路的研發作出了重要的早期貢獻——這項研究是將高度微型化的電路作為一個整體組裝在一起，而不是將分立式的元件用線串聯起來。除此之外，巴克還發明了「冷子管」，他希望這種超導性開關能夠成為未來數字計算機的基本結構單元。受巴克這一設想的啟發，在20世紀50年代末期到60年代早期這段時間內，通用電氣、IBM、美國無線電公司和美國軍方紛紛上馬大型冷子管研究項目，後來他們才將研究重點轉移到硅微晶元，用其製作計算機的邏輯單元和存儲器。
巴克的研究設想在他生活的年代是十分超前的。即使在今天，這一設想也毫不過時：在量子計算研究領域，冷子管正是IBM及其他組織機構開展超導量子比特研究的根本所在。
儘管這方面的研究工作已經開展數十年之久，但巴克和他的冷子管早已淡出了人們的記憶。當前的大部分電子工程師都對這項技術一無所知。現在，就由我大致介紹一下巴克的研究工作和他那早已被遺忘的冷子管計算機。
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1948年，達德利?巴克從華盛頓大學畢業，並獲得電子工程學士學位。此後，他進入美國海軍位於華盛頓特區的密碼邏輯部門工作，從事早期的數字計算機研究工作。1950年，巴克進入麻省理工學院開始電子工程領域的研究生課程學習，師從物理學家亞瑟?馮?希佩爾（Arthur von Hippel）教授。巴克還擔任了麻省理工學院「旋風」計算機項目的研究助理，這款體積龐大的早期計算機主要用于軍事用途。
巴克在麻省理工學院的研究生同學傑?拉斯特（Jay Last，後來進入飛兆半導體公司，帶領團隊研製出了首款平面硅集成電路）在回憶巴克時說，他既是一個「有遠見卓識的夢想家」，也是一個「好人，簡直好到了令人討厭的地步」。拉斯特之所以會對巴克產生這樣的印象，原因也許可以從巴克1954年的一封書信中窺見一斑。當時的巴克只有27歲，他在信中寫道：「我有一個17歲的養子，已經領養4年，他擔任童子軍團長已經有6年之久。而我則是衛理會教堂的一名講道人，有時會在周日上午佈道。我非常享受這種同時在人文領域和工程領域工作的感覺。」
儘管這豐富充實的個人生活需要巴克履行諸多的職責，但他還是在麻省理工學院的研究工作上傾注了大量的精力。在較早期從事「旋風」計算機研究時，巴克詳細研究了多種磁芯製造材料。他還積極尋找具有超凡物理特性的材料，以便製作高級數字計算機所需要的改良開關。
1952年，巴克偶然注意到了具有較強磁阻特性的化學元素鉍：當被置於磁場中時，特別是在溫度較低的情況下，這種化學元素的電阻率會大幅升高。在液氮沸點（4.2開）處，處於強磁場中的鉍的電阻會發生數千萬倍的變化。巴克認為可將該反應應用於計算機製造。控制電線中通過的少量電流及其產生的磁場就可以令一塊鉍材料的電阻發生巨大的變化，在極短的時間內終止或允許電流通過。根據這一原理，巴克便可以製造出一款電子開關。
到1954年時，巴克又開始重點關注在一個更加偶然的機遇中發現的液氮低溫環境下的電磁學現象：超導性。這一現象雖然奇特，卻也早已被人們發現。早在20世紀初期，物理學家們就已了解到，當溫度降至液氮沸點左右時，各類金屬將完全失去電阻性。
超導性也具備一種磁效應，即邁斯納效應。超導材料會排斥磁場——但也只是在一定程度上。如果被置於一個足夠強大的磁場中，超導材料幾乎會立刻呈現為有電阻的狀態。而磁場移除後，該材料又會恢復為超導狀態。
注意到這一現象後，巴克認為完全有可能為電子數字計算機研製出一款全新的、具有卓越性能的構建元件。他認為該構建元件也許會取代真空管和磁芯。具有超導特性的開關可以擁有極其微小的體積和極快的處理速度，而且幾乎不需要消耗電能。
巴克將他的這項發明命名為冷子管（cryotron），這一命名既兼顧了在20世紀50年代非常新潮典型的低溫技術（cryo，希臘語，意為「冰冷」），又與電子學（electronics）一詞有雙關之意。但是，巴克所做的並不僅僅是構思和命名。他很快便製造並測試了十幾款冷子管原型。
巴克製造的首批冷子管可謂非常簡單，除了一截很短的鉭線，以及緊緊纏繞在鉭線上的一些螺旋狀銅線之外別無他物。巴克在纏有銅線的鉭線兩端各連接上電引線，這樣一來，冷子管在浸入裝有液氮的容器後仍然可以連接外部電路。
銅線圈通入電流之後會相應地產生一個磁場，巴克便利用該磁場將鉭線的超導性轉變為電阻性。除此之外，巴克製造的冷子管原型還可以展現增益，即纏繞的銅線內的少量電流可以控制鉭線中強度更大的電流。因此，巴克的冷子管便可以像三極真空管和晶體管一樣用作數字計算機的邏輯開關。
巴克對他研製的新型超導設備的前景深信不疑。他曾設想採用他在碩士論文中研究分析的印製電路技術批量製造冷子管。巴克認為，依靠這些冷子管或甚至最為簡陋的繞線冷子管便可以製造出一台數字計算機，其邏輯元件和存儲器均採用冷子管製成。但是，他對這些冷子管原型的開關速度卻十分擔憂，這些慢得有些不盡如意的原型簡直還不如電子機械繼電器。
在尋求更佳性能的過程中，巴克嘗試了許多種不同的材質。例如，纏繞在一起的鉛和鈮可以將開關時間縮短到5微秒——雖差強人意，但比當時速度最快的晶體管（可達到該開關速度的100倍）還是慢了許多。但是巴克認為，他可以通過縮小金屬材料的物理尺寸製造出能夠與性能最高的晶體管相媲美的冷子管。
與此同時，巴克還將若干個手繞式冷子管捆綁在一起，成功製造出了一個邏輯門、一個觸發器和一個扇出放大器。就這樣，巴克僅用冷子管就創建出了數字計算機存儲器和邏輯單元所需要的所有基本電路。可見，打造全冷子管超導計算機並非白日做夢。
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就在這時，巴克的研究項目以及他的雄心壯志都在迅猛擴大。他堅信，他能夠藉助微小型技術製造出一台含有上萬個冷子管的計算機。這台計算機的計算能力將與當時世界上最先進的數字計算機「旋風」相差無幾，但是「旋風」需要許多個裝滿電子設備的房間，而且它的耗電功率高達150千瓦。
實際上，這位28歲的工程師是計劃將「旋風」計算機濃縮為收音機大小，並浸入裝滿液氮的桶中，使其運行時的耗電量不高於聖誕樹彩燈。雖然他的想法大膽而又冒險，但是他的雄辯、熱情以及取得的成績卻成功說服了同事們，讓他們相信冷子管是可取的。
至此，冷子管研究已經成為巴克在麻省理工學院林肯實驗室的正式工作。在繼續研究體積更小、速度更快、功率更低的冷子管的同時，巴克又開始開展一項大型計算機存儲器研究項目。在該研究中，現有冷子管的較慢的開關速度並不會對存儲器產生影響。
巴克計劃使用7.5萬個冷子管打造一個我們今天所說的內容定址存儲器。當時，巴克將該存儲器命名為「認知單元」。這是因為計算機會對每一個存儲器位置進行排查，以確定其中是否含有所需要的信息。
這樣一款存儲器在密碼分析方面擁有卓越的優勢。對於密碼分析而言，確認模式往往是最重要的。我猜想巴克製造這樣一款存儲器的動機源於他早期曾在美國海軍從事密碼破譯機器方面的研究以及他在麻省理工學院期間為剛剛成立的美國國家安全局（NSA）提供諮詢工作的經歷。無論如何，他研製的全冷子管認知單元僅有手提箱那麼大，但其容量卻高達3.2千位元組，幾乎相當於「旋風」計算機的磁芯主存儲器的容量。
1955年年中的時候，當巴克正準備申請冷子管專利時，有關他準備研製內容定址存儲器的消息在美國的密碼邏輯和計算界慢慢流傳開來，並引起了業界極大的興趣。在當年7月份，IBM公司負責電子計算業務的副總裁約翰?麥克弗森（John McPherson）在寫給巴克的信中表示，NSA的首席密碼專家威廉?弗里德曼（WilliamFriedman）對巴克的超導計算機元件「非常感興趣」。
就在收到麥克弗森的來信後沒幾天，巴克便提交了專利申請。這項關於「磁控門元件」的專利主張範圍很廣，既包括冷子管本身，也包括冷子管在計算機中的應用。
這時，巴克的冷子管研究工作已經邁出麻省理工學院，雖然還沒有走出紀念大道。他與合約研究公司亞瑟?D?理特公司（Arthur D. Little）簽署了一份冷子管技術諮詢協議。理特公司的創始人曾是麻省理工學院的一名化學家，以他的名字命名的這家諮詢公司毗鄰麻省理工學院，在20世紀50年代成為用於生產液氮的低溫恆溫器的領先製造商。在NSA的贊助下，巴克和理特公司的研究人員從尺寸較小的概念驗證性存儲器陣列入手，開始研發冷子管認知單元。
除上述工作外，在1955年剩餘的時間中，巴克在麻省理工學院的個人冷子管研究工作主要是利用蒸發薄膜製造微型冷子管以及集成冷子管陣列。與纏繞細電線的方式不同的是，巴克希望透過一層類似於蠟版的掩模將金屬物質蒸發在基片上，以形成一層具有固定圖案的超導材料薄膜。然後，再透過另外一層掩模將控制線路蒸發在薄膜上。通過這種方式，巴克便可以印製出一連串的冷子管。
在籌備過程中，巴克測試了多種由鉛、鉍、鍶、銦及其他元素的合金製成的薄膜。通過反覆實驗，他研製出一款厚度為100納米、材質為鉛—鉍—鍶合金的薄膜，這種合金薄膜可在0.1微秒內從超導狀態轉化為有電阻狀態——該速度僅相當於當時最快的晶體管的十分之一。除此之外，巴克還設計出許多完全由冷子管構建而成的二值電路，包括觸發器、門元件、多諧振動器、加法器和累加器。
在提交了專利申請並完成了重要的研究工作之後，巴克準備向全世界宣布冷子管的誕生。1955年11月，巴克向無線電工程師學會（IEEE的前身機構之一）提交了一篇題為《冷子管——超導性計算機元件》的論文。巴克在論文中詳細介紹了繞線冷子管以及可以由繞線冷子管製成的各種基礎數字電路，重點強調了這種超導性設備對於計算機製造的意義。他在論文中寫道：「目前研發的冷子管可作為邏輯電路中的活躍元件使用。」此外，巴克還在論文中積極分享了他的堅定看法，即在不久的將來，「大型數字計算機的尺寸將可以控制在1立方英尺……而這樣一台機器的功率卻估計只有1.5瓦。」
然而，論文中有關開關速度的闡述卻有些含糊其辭：「目前，該設備的開關速度比電子機械繼電器略快，但遠慢於真空管和晶體管。旨在提高其速度的項目正在進行之中。」儘管當時巴克已經完成了對開關速度可接近最快晶體管的薄膜冷子管的測試，但他並未將該進展以及正在進行中的有關冷子管認知單元的工作公之於眾。
當巴克的文章刊登在《無線電工程師學會學報》（1956年4月）上時，他已在定期製造和測試薄膜冷子管。在理特公司開展的有關概念驗證性冷子管存儲單元的工作也在進行之中，NSA工程師阿爾伯特?斯雷德（AlbertSlade）則開始在巴克的指導下開展自己的冷子管電路研究。
就在此時，巴克向馮?希佩爾教授提交了他的博士論文大綱。大綱的內容完全在意料之中：巴克將詳細研究超導材料的蒸發薄膜，並探索如何控制薄膜的厚度與幾何布局，以便製造出具有較快開關速度的冷子管。馮?希佩爾教授對這一有望很快取得斐然成果的計劃給予了認可和贊同。
在1959年去世之前，巴克一直身處集成冷子管微電路的開發熱潮之中。例如，阿爾伯特?斯雷德離開NSA加入理特公司，從事冷子管認知單元的研究工作。而另外一名NSA研究人員郝瑞斯?夏普?曼（Horace Tharp Mann）則在巴克的諮詢幫助下開始研究蒸發薄膜冷子管。1957年，IBM和RCA均發起了由NSA資助的高速薄膜冷子管電路開發項目。通用電氣也積極投身這一開發熱潮，自行出資開展冷子管研究項目。此時仍是一名麻省理工學院研究生的巴克遭遇了激烈的競爭。
按照他的一貫作風，巴克應對這些挑戰的做法便是設置更高的研究目標。為此，他與同樣作為馮?希佩爾教授的麻省理工實驗室成員的凱尼斯?R?舒爾德斯（Kenneth R. Shoulders）合作開展研究工作。當時，舒爾德斯一直為一項不同方向的創新積極努力——使用電子束「微磨」或刻蝕極小微電路。後來被人們命名為電子束光刻的這一技術成為了製造硅微晶元不可或缺的工藝。早在20世紀50年代中期，舒爾德斯便計劃製造100納米級的電子設備——這種比病毒還要小的外形尺寸比當時人們試圖製造的任何事物都要小若干數量級。舒爾德斯的志向與巴克意欲通過微型化工藝提高冷子管速度以及研製大規模集成冷子管陣列的想法相得益彰，不謀而合。
在共同工作期間，舒爾德斯負責探索操控電子束的不同方法，而巴克則對多種超導合金以及用於電子束刻蝕的抗蝕材料進行評估。這對工作搭檔在1958年年中分道揚鑣，當時，巴克獲得了博士學位，開始在麻省理工學院的電子工程系擔任助理教授，而舒爾德斯則離開了麻省理工學院，加入了位於加州門洛帕克的斯坦福研究所。
作為兩人合作的巔峰成就，巴克和舒爾德斯在1958年12月的東部聯合計算機會議上提交了一篇題為《微型印製系統製造方法》的論文。該論文闡述了兩人對於高度集成微電路未來發展的信心。他們在論文中寫道：「在不久的將來，數字計算機將不再是由上千個單獨製造的零件組裝而成的插接部件，相反，整台計算機或計算機的大部分將在一個環節中製造完成。」
論文提交5個月後，巴克突然離世。在1959年5月18日的最後一次實驗室筆記中，巴克記錄了他在硼薄膜沉積方面的工作。在接下來幾天里一直飽受呼吸困難之苦的巴克最終在5月21日去世了，距離他過完32歲生日還不到一個月。
儘管巴克當時的死因是病毒性肺炎，但我還是認為他的離世可能部分歸咎於他所開展的沉積實驗。巴克在5月18日的工作涉及兩種需極度慎重處理的物質。他使用的硼元素的來源是三氯化硼氣體，同時，硼薄膜沉積的過程會產生氯化氫氣體。吸入任何一種氣體都會導致極其嚴重的肺水腫，其癥狀與肺炎相似，更不要說兩種氣體都吸入。而在麻省理工學院學習這方面的知識時，巴克並未成為一名化學家。他可能沒有意識到危險所在，或沒有安全處理這些氣體的充足實際操作經驗。無論如何，巴克的逝世對他的同事而言都是一個極大的悲劇。
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但是，冷子管的研究並沒有隨巴克離世而終止。為製造冷子管計算機而付出的巨大努力延續到了20世紀60年代。曾在NSA開展薄膜冷子管研究工作的曼後來在20世紀50年代末加入了位於洛杉磯的TRW公司空間技術實驗室。在1966年之前，曼一直在該實驗室研究用於製造薄膜冷子管的電子束光刻法。而理特公司的研究人員則繼續開發冷子管存儲陣列，以便打造巴克的認知單元。
與此同時，在20世紀60年代早期的這段時間裡，通用電氣、IBM和RCA開發出了薄膜冷子管微電路，以用於計算機存儲器的微電路為主。在1961年時，通用電氣的研究人員利用薄膜冷子管製造出一款工作集成移位寄存器，與當時的硅集成電路的複雜程度不相上下。在此後兩年的時間裡，通用電氣製造的冷子管微電路在集成程度上超越了硅微晶元。他們的研究人員甚至還利用三個集成冷子管陣列組裝出了一台實驗性工作計算機。
儘管冷子管研究取得了如此之多的成就，但是，硅微晶元在20世紀60年代的飛速發展，特別是其有效降低電子設備成本的能力，卻抹殺了冷子管的一切優勢，數字計算機幾乎全部採用硅邏輯電路和磁芯存儲器。到20世紀60年代中期，大部分冷子管研究人員紛紛放棄了超導開關，開始將注意力轉移到硅晶片。
然而，有些研究人員卻仍在堅持。他們開始重點關注可以體現出一種量子力學現象——約瑟夫效應的特殊冷子管。在20世紀70年代早期，IBM的研究人員研發出一款被稱為約瑟夫森結的改良冷子管。這種冷子管是IBM公司在製造超導計算機過程中的重點研究對象，且研究工作持續到了20世紀80年代。目前，約瑟夫森結依然是IBM公司及其他組織機構開展量子計算研究的基礎。
所以說，巴克研發的冷子管從未真正消失，而是在硅微晶元的陰影下以不同的形式和名稱續存下來。我們只能夠猜測，如果巴克可以活得更久一些，他還能研究出些什麼呢？
作者 David C. Brock
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