在电子管时代，计算机虽然实现了从机械到电子的跨越，但体积庞大、功耗高、可靠性差等问题始终困扰着人们。当历史的车轮驶入 20 世纪 50 年代，晶体管的诞生如同一场技术革命，为计算机领域带来了前所未有的变革，开启了计算机发展的崭新篇章 ------ 晶体管时代。这一时代从 20 世纪 50 年代中期延续到 60 年代末期，在短短十几年间，计算机在体积、性能、可靠性等方面都取得了质的飞跃，为后续的计算机发展奠定了坚实基础。
晶体管的诞生：电子技术的革命性突破
晶体管的发明是 20 世纪最伟大的发明之一，它的出现不仅改变了电子技术的发展轨迹，也为计算机的小型化、低功耗化和高可靠性化提供了可能。
晶体管的发明历程
1947 年 12 月 23 日，美国贝尔实验室的约翰・巴丁、沃尔特・布拉顿和威廉・肖克利成功研制出了世界上第一只晶体管。这一发明最初并没有引起广泛的关注，因为当时电子管在电子设备中占据着主导地位。但随着研究的深入，人们逐渐发现了晶体管的巨大潜力。
巴丁、布拉顿和肖克利的研究始于对半导体材料的探索。他们发现，半导体材料在特定的条件下能够实现电流的放大和开关控制，这一特性与电子管相似，但半导体材料具有体积小、重量轻、功耗低等优点。经过无数次的实验和改进，他们终于成功地制造出了第一只点接触晶体管。这只晶体管由锗半导体材料制成，通过金属探针与半导体表面接触来实现电流的控制，虽然结构简单，但却具有划时代的意义。
1956 年，巴丁、布拉顿和肖克利因发明晶体管而共同获得了诺贝尔物理学奖，这一奖项也充分肯定了晶体管发明的重大价值。
晶体管的特性与优势
与电子管相比，晶体管具有诸多显著的优势。首先，晶体管的体积非常小，一只晶体管的体积仅为电子管的几十分之一甚至几百分之一，这使得计算机的小型化成为可能。其次，晶体管的功耗极低，仅为电子管的十分之一左右，大大降低了计算机的能源消耗，也减少了热量的产生。
此外，晶体管的可靠性极高，其寿命可达数万小时甚至更长，远超过电子管的寿命。而且，晶体管对环境的适应性更强，受温度、湿度、电压波动等因素的影响较小，这使得晶体管计算机的稳定性得到了极大的提升。
晶体管的工作原理基于半导体材料的导电性变化。在晶体管中，存在着发射极、基极和集电极三个电极。通过在基极施加微小的电流或电压，就可以控制集电极和发射极之间的电流，从而实现电流的放大或开关控制。这种工作方式与电子管类似，但效率更高，性能更稳定。
晶体管的发明标志着电子技术进入了半导体时代，它为电子设备的小型化、轻量化、低功耗化和高可靠性化开辟了道路，也为计算机技术的飞速发展提供了关键的元件支持。
晶体管在计算机领域的应用探索
晶体管发明后，科学家们很快就意识到了它在计算机领域的应用潜力。20 世纪 50 年代初期，一些研究机构和企业开始尝试将晶体管应用于计算机中。
1953 年，美国无线电公司（RCA）研制出了一台使用晶体管的计算机原型机，但这台机器并没有进行商业化生产，主要用于技术验证。1954 年，美国贝尔实验室研制成功了 TRADIC（晶体管数字计算机），这是世界上第一台全晶体管计算机。TRADIC 采用了约 700 只晶体管，体积仅为同等功能电子管计算机的十分之一，功耗也大幅降低，可靠性显著提高。
TRADIC 的研制成功证明了晶体管在计算机中应用的可行性，为后续晶体管计算机的发展积累了宝贵的经验。此后，越来越多的研究机构和企业投入到晶体管计算机的研发中，推动了晶体管在计算机领域的广泛应用。
首批晶体管计算机：从实验室走向实用
在 TRADIC 之后，世界各国纷纷开始研制晶体管计算机，一批具有代表性的机型相继问世，这些计算机从实验室走向实用，标志着晶体管时代的正式到来。
IBM 7090：大型晶体管计算机的代表
IBM 公司作为计算机领域的巨头，在晶体管时代也不甘落后。1959 年，IBM 公司推出了 IBM 7090 计算机，这是 IBM 公司推出的第一台全晶体管大型计算机，也是当时性能最强大的计算机之一。
IBM 7090 采用了数千只晶体管，运算速度达到了每秒 229000 次加法运算，比当时的电子管计算机快了数倍。它的存储容量也有了很大的提升，主存储器采用了磁芯存储器，容量可达 32768 字，每字 36 位。此外，IBM 7090 还配备了丰富的外部设备，如磁带机、磁盘机、打印机等，能够满足不同用户的需求。
IBM 7090 主要应用于科学计算、商业数据处理等领域，在航空航天、气象预报、原子能研究等领域发挥了重要作用。它的成功不仅巩固了 IBM 公司在计算机领域的领先地位，也推动了晶体管计算机在大型应用领域的普及。
DEC PDP-1：小型晶体管计算机的先驱
与 IBM 7090 这样的大型计算机不同，一些企业开始关注小型计算机的研发。1959 年，数字设备公司（DEC）推出了 PDP-1 计算机，这是世界上第一台商业化的小型晶体管计算机。
PDP-1 体积小巧，占地面积仅为几平方米，价格相对低廉，适合小型企业、科研机构和大学使用。它采用了约 2000 只晶体管，运算速度为每秒 18000 次加法运算，虽然比大型计算机慢，但对于一些小型应用来说已经足够。
PDP-1 的一大创新是配备了阴极射线管（CRT）显示器，这是计算机历史上最早的显示器之一，使得用户能够直观地看到计算结果。此外，PDP-1 还支持交互式操作，用户可以通过键盘直接输入指令，计算机实时响应，这种交互方式为后来的个人计算机奠定了基础。
PDP-1 在教育、科研等领域得到了广泛的应用，它培养了一代又一代的计算机人才，也推动了计算机技术的普及。DEC 公司凭借 PDP 系列计算机，成为了小型计算机领域的领导者。
其他国家的晶体管计算机研发
在晶体管计算机的研发浪潮中，除了美国，其他国家也不甘示弱，纷纷推出了自己的晶体管计算机。
英国在 20 世纪 50 年代末 60 年代初研制出了一系列晶体管计算机，如 Ferranti Atlas 计算机。这台计算机采用了虚拟内存技术，能够将磁盘等外部存储设备作为内存的扩展，大大提高了计算机的存储能力，在当时处于世界领先水平。
苏联在晶体管计算机的研发方面也取得了一定的成果。20 世纪 60 年代，苏联研制出了 M-20 计算机，这是苏联第一台大型晶体管计算机，主要应用于国防和科研领域，为苏联的航天事业等提供了计算支持。
日本在 20 世纪 60 年代也开始大力发展晶体管计算机。1964 年，富士通公司推出了 FACOM 230-60 计算机，这台计算机采用了先进的晶体管技术和电路设计，运算速度达到了每秒 100 万次加法运算，达到了当时世界先进水平，标志着日本在计算机领域的崛起。
这些国家的晶体管计算机研发，丰富了晶体管计算机的种类和应用领域，推动了全球计算机技术的交流与发展。
技术突破：晶体管时代的计算机革新
晶体管时代不仅是计算机元件的更换，更是一系列技术的突破和革新，这些技术的进步使得计算机的性能得到了全面提升。
磁芯存储器的广泛应用
在电子管时代，计算机的存储设备主要是水银延迟线、磁鼓等，存储容量小、存取速度慢。而在晶体管时代，磁芯存储器逐渐成为了计算机的主流存储设备。
磁芯存储器由大量的微小磁环（磁芯）组成，每个磁芯可以存储一个二进制位（0 或 1）。磁芯通过导线连接成矩阵，通过改变磁芯的磁化方向来写入数据，通过检测磁芯的磁化方向来读取数据。
磁芯存储器具有存储容量大、存取速度快、可靠性高、功耗低等优点。它的存取速度可达微秒级，比磁鼓等存储设备快得多，而且可以随机存取数据，大大提高了计算机的工作效率。磁芯存储器的出现，解决了计算机存储瓶颈问题，为计算机处理大量数据提供了可能。
从 20 世纪 50 年代中期到 70 年代初期，磁芯存储器一直是计算机的主要内存，直到半导体存储器出现后才逐渐被取代。但磁芯存储器在计算机存储技术的发展史上留下了浓墨重彩的一笔。
汇编语言与高级编程语言的发展
随着计算机的发展，编程方式也在不断进步。在电子管时代，计算机编程主要采用机器语言，这种语言由二进制代码组成，难以理解和记忆，编程效率极低。
到了晶体管时代，汇编语言应运而生。汇编语言使用助记符来表示机器指令，如 ADD 表示加法，SUB 表示减法等，使得编程更加容易理解和记忆。汇编语言与机器语言一一对应，通过汇编程序可以将汇编语言翻译成机器语言，供计算机执行。
汇编语言的出现提高了编程效率，但它仍然依赖于计算机的硬件结构，不同类型的计算机需要不同的汇编语言，通用性较差。为了解决这一问题，高级编程语言逐渐发展起来。
1957 年，IBM 公司的约翰・巴克斯等人研制出了 FORTRAN（公式翻译语言），这是世界上第一种高级编程语言。FORTRAN 主要用于科学计算，它采用了接近数学公式的语法，使得程序员能够更加方便地编写科学计算程序。
1959 年，COBOL（通用商业语言）问世，这种语言主要用于商业数据处理，它具有强大的数据处理能力和丰富的文件操作功能，适合处理大量的商业数据。
此外，还有 ALGOL（算法语言）、BASIC（初学者通用符号指令代码）等高级编程语言相继出现。高级编程语言与计算机的硬件结构无关，具有良好的通用性和可移植性，大大提高了编程效率和程序的可读性、可维护性。
编程语言的发展，使得计算机的应用范围不断扩大，越来越多的人能够使用计算机来解决实际问题。
输入输出设备的进步
在晶体管时代，计算机的输入输出设备也取得了显著的进步，使得数据的输入和输出更加便捷、高效。
在输入设备方面，除了传统的穿孔卡片阅读器，键盘逐渐成为了主要的输入设备。键盘的出现使得用户能够直接向计算机输入数据和指令，操作更加灵活方便。此外，光学字符阅读器（OCR）也开始得到应用，它能够识别印刷体字符并将其转换为计算机可处理的数据，提高了数据输入的效率。
在输出设备方面，除了打印机，阴极射线管（CRT）显示器得到了广泛的应用。CRT 显示器能够实时显示计算机的处理结果，使得用户能够及时了解计算机的工作状态，为交互式操作提供了可能。此外，绘图仪也成为了重要的输出设备，它能够绘制各种图形和图表，在工程设计、地理信息等领域发挥了重要作用。
外部存储设备也有了很大的发展。磁带机的存储容量不断扩大，存取速度不断提高，成为了计算机重要的备份和数据交换设备。磁盘机的出现更是存储设备的一大突破，1956 年，IBM 公司推出了世界上第一台磁盘存储系统 IBM 350 RAMAC，它采用了 50 片直径为 24 英寸的磁盘，存储容量可达 500 万字符。磁盘机具有随机存取的特点，存取速度比磁带机快得多，大大提高了计算机对数据的访问效率。
输入输出设备的进步，使得计算机与用户之间的交互更加便捷，也使得计算机能够处理更多类型的数据，进一步拓展了计算机的应用领域。
晶体管计算机的应用拓展：从科研到商业的跨越
晶体管计算机凭借其体积小、功耗低、可靠性高、性能强等优点，在各个领域得到了广泛的应用，实现了从科研领域到商业领域的跨越，深刻地改变了人们的生产生活方式。
科研与工程计算领域的深化
在科研领域，晶体管计算机的应用更加广泛和深入。在航空航天领域，计算机被用于飞机和航天器的设计、模拟和仿真。例如，在飞机设计中，计算机可以对飞机的气动性能、结构强度等进行计算和分析，缩短了设计周期，提高了设计质量。在航天器的轨道计算和控制中，计算机能够实时处理大量的观测数据，精确计算航天器的轨道参数，确保航天器的顺利运行。
在气象预报领域，晶体管计算机的出现使得数值天气预报成为可能。通过建立大气运动的数学模型，利用计算机对大量的气象数据进行计算和分析，可以预测未来的天气情况。与传统的经验预报相比，数值天气预报更加准确、及时，能够为人们的生产生活提供更好的指导。
在原子能研究领域，计算机被用于核反应的模拟和计算，帮助科学家们更好地了解核反应的过程和规律，为核武器的研制和核能的和平利用提供了重要的支持。
商业与管理领域的普及
随着晶体管计算机性能的提高和价格的降低，它开始逐渐走进商业和管理领域。在银行领域，计算机被用于账户管理、资金转账、自动取款等业务。通过计算机系统，银行可以实现账务处理的自动化，提高工作效率，减少人为错误，同时也方便了客户办理业务。
在企业管理领域，计算机被用于库存管理、生产计划、销售分析等方面。企业可以通过计算机系统实时掌握库存情况，合理安排生产计划，分析销售数据，制定营销策略，提高企业的管理水平和经济效益。
在政府部门，计算机被用于人口普查、税收征管、社会保障等工作。通过计算机系统，政府可以高效地处理大量的政务数据，提高工作效率和决策的科学性。
商业与管理领域的应用，使得计算机从一种高端的科研工具转变为一种广泛应用的管理工具，推动了社会的信息化进程。
军事与国防领域的应用升级
在军事与国防领域，晶体管计算机的应用也得到了升级。在武器系统方面，计算机被用于导弹的制导、雷达的信号处理等。晶体管计算机的小型化和高可靠性，使得它能够安装在导弹、飞机等武器平台上，实现武器系统的自动化和智能化，提高武器的命中精度和作战效能。
在军事指挥系统方面，计算机被用于情报处理、作战指挥、后勤保障等工作。通过计算机系统，指挥官可以实时获取情报信息，快速制定作战计划，协调各部队之间的行动，提高指挥效率和决策的准确性。
晶体管计算机在军事与国防领域的应用，增强了国家的军事实力，也推动了军事技术的发展。
晶体管时代的技术局限：发展中的挑战
尽管晶体管时代的计算机取得了巨大的进步，但在发展过程中仍然面临着一些技术局限，这些局限在一定程度上制约了计算机的进一步发展。
集成度的限制
虽然晶体管的体积比电子管小得多，但随着计算机性能的不断提高，所需的晶体管数量也在不断增加。在晶体管时代，计算机的电路仍然采用分立元件，即每个晶体管都是独立的元件，通过导线连接在一起。这使得计算机的集成度受到了很大的限制，电路的复杂度和体积也难以进一步降低。
随着晶体管数量的增加，电路的布线变得越来越复杂，不仅增加了制造难度和成本，还容易导致电路故障，影响计算机的可靠性。因此，提高计算机的集成度成为了当时亟待解决的问题。
散热问题依然存在
虽然晶体管的功耗比电子管低，但随着晶体管数量的增加和运算速度的提高，计算机的总功耗仍然较大，产生的热量也不容忽视。在晶体管计算机中，大量的晶体管密集地排列在电路板上，热量集中，散热问题依然存在。
为了解决散热问题，晶体管计算机通常需要配备散热风扇或散热片，但对于一些高性能的计算机来说，这些措施仍然不够。散热问题不仅影响计算机的性能和稳定性，还限制了计算机运算速度的进一步提高。
软件与硬件的协同难题
在晶体管时代，计算机的硬件发展迅速，但软件的发展相对滞后，软件与硬件之间的协同存在一定的难题。一方面，硬件的不断更新换代使得软件需要不断地进行修改和适配，增加了软件的开发成本和难度；另一方面，软件的功能和性能也受到硬件的限制，难以充分发挥硬件的潜力。
此外，不同厂家生产的计算机在硬件结构和指令系统上存在差异，导致软件的兼容性较差，一款软件往往只能在特定型号的计算机上运行，不利于软件的推广和应用。
软件与硬件的协同难题，成为了制约计算机应用和发展的重要因素，也促使人们开始思考如何实现软件与硬件的更好协同。
晶体管时代的落幕与历史意义
20 世纪 60 年代末期，随着集成电路技术的成熟，计算机逐渐进入了集成电路时代，晶体管时代悄然落幕。但晶体管时代在计算机发展史上留下了不可磨灭的印记，具有重要的历史意义。
集成电路的崛起与晶体管的淡出
1958 年，美国得克萨斯仪器公司的杰克・基尔比发明了集成电路，1959 年，仙童半导体公司的罗伯特・诺伊斯发明了平面工艺的集成电路，使得集成电路的生产和应用成为可能。
集成电路是将多个晶体管、电阻、电容等元件集成在一块半导体芯片上的电子器件，它具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、集成度高等优点。与晶体管相比，集成电路的集成度更高，能够在一小块芯片上实现复杂的电路功能，大大降低了计算机的体积和功耗，提高了计算机的性能和可靠性。
随着集成电路技术的不断发展，其集成度越来越高，成本越来越低，逐渐取代了晶体管成为计算机的主要元件。到 20 世纪 60 年代末期，集成电路计算机已经成为主流，晶体管时代正式结束。
晶体管时代对计算机发展的影响
晶体管时代是计算机发展史上的一个重要转折点，它对计算机的发展产生了深远的影响。
首先，晶体管的应用使得计算机的体积大大缩小，功耗显著降低，可靠性大幅提高，为计算机的小型化、便携化奠定了基础。其次，磁芯存储器、高级编程语言等技术的发展，提高了计算机的性能和易用性，拓展了计算机的应用领域。
再者，晶体管时代培养了一大批计算机人才，积累了丰富的计算机设计、制造和应用经验，为后续集成电路时代的发展提供了人才和技术支持。同时，晶体管时代也推动了计算机产业的形成和发展，出现了 IBM、DEC 等一批知名的计算机企业，形成了完整的计算机产业链。
此外，晶体管时代的技术创新和应用探索，为计算机的发展指明了方向，即不断提高集成度、降低功耗、提高性能、拓展应用领域。这一方向一直引领着计算机技术的发展，直到今天仍然具有重要的指导意义。
晶体管时代虽然已经成为历史，但它在计算机发展史上的地位和作用不可替代。它是计算机从笨重、低效走向轻便、高效的关键一步，为我们今天所享受的信息时代奠定了坚实的基础。在计算机发展的长河中，晶体管时代如同一颗璀璨的明珠，闪耀着技术创新的光芒。