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中國計算機科技 1972 - 1980:一個美國的視角

布丁 · 2021-03-12 · 來源:鐵君公眾號
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  2020年春節我回國過年,偶然在家里發現了爸爸大學用的1978第一版上下冊《電子計算機與算法語言》。我如獲至寶,把書帶回了美國,卻開始了至今不知啥時候能結束的work from home生活,這兩本書密封保存放在了書架上,基本上起了個鎮宅辟邪的作用,bug退散~~直到上個周末,我才仔細讀了這兩本書。

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  爸爸大學讀的是船電不是計算機,所以這套教材的目的可能是讓他們快速上手利用計算機演算問題而不是入門計算機科學。上冊講的是計算機的基本原理,從邏輯門電路,基本的邏輯代數,到簡單的計算機體系結構知識;下冊更厚,沒有算法數據結構等內容而是一口氣介紹了三種編程語言:ALGOL60, FORTAN 和 BASIC, 以及在國產DJS-130計算機上的操作。

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  出于好奇我想去查找關于這些國產計算機的更詳細的技術信息??墒怯眯吞査阉鞯玫降闹形男畔⒎浅I?,能找到的大部分也都是沒有多少技術價值的文宣體。但我卻驚喜地發現有不少英文材料提到了這些國產計算機 —— 從1972年起,美國計算機科學家開始陸續訪問中國與中國研究員、工程師交流,從他們的視角觀察中國計算機科技發展,寫成報告投到了計算機專業期刊。這些技術報告是珍貴的史料,也是我們不能忘卻的記憶。

1972

  1972二月尼克松訪華。當年七月,由Severo Ornstein牽頭,六位美國計算機科學家就首次訪問了中國。他們的正式身份是民間旅游團,毫無疑問受到了故宮長城烤鴨三件套的熱情招待,剩下的一半時間,他們參觀了中科院在北京和上海的研究所,各高校的實驗室以及一些生產工廠,并且首次跟中國計算機人進行了直接交流。我在斯坦福電子檔案館找到了一份成員的記錄:Computing in China: A Travel Report, 副標題是:"Computer technology advances rapidly in China with no external aid."

  文革的影響是明顯的,大學招生規模只有文革前的幾分之一,學制被縮短為三年,也沒有了正式的研究生項目。大學教室變成了校內工廠供學生生產實踐,研究員教師也要到工廠「三結合」。但實驗室還在,機器沒被(完全?)搗毀,更重要的是人也在。中美同行第一次見面,美國人驚訝于這些中國年輕人的信息渠道一點都不閉塞,圖書館里能找到最新的ACM和IEEE期刊,而且被非常仔細地研究消化。中國人老實不客氣,直接要求:「別整那些刊登過的東西,來點你們還沒發表的干貨」,他們到底交流什么未發表干貨,現在就不得而知了。

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  美國人第一次見到了中國國產計算機。在蘇聯專家1959年撤離中國之前,中國只仿制了一型蘇聯電子管計算機,之后中國的計算機科技更多地是吸收英美的研究成果,在工程上獨立發展。在這樣的條件下,他們竟然發展出了運用集成電路,標稱性能180KIPS的111型機。美國人對中國計算機架構的評價頗高,認為他們雖然保守,但是簡單、合理而實用。在清華 "in the excellent 'clean room' facilities of the Integrated Circuits Laboratory" 中國人正在研究制造MOS大規模集成電路。

  在上海,美國人參觀了計算機制造車間。他們被帶到上海郊區一處安靜的老房子,震驚地發現里面的女工正手工把集成電路焊在印刷電路板上(幾年之后Apple I也是這樣在喬布斯父母家車庫搗鼓出來的)——這里的前身是一個生產門窗把手(!)的社區工廠,工人就是附近的家庭婦女。計算機研究所的研究員來這里搞三結合,把它轉變成了一個電路板裝配車間。他們也參觀了更大的有正式管理的工廠,但是在那里,手工操作也占絕對主導地位??上攵谶@樣的生產條件下,計算機是很難有「量產」的概念的,中國當時全部計算機產量,滿打滿算一年不過十幾臺。

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  美國人感到的另一個差異是在計算機的軟件和應用上——編程語言倒是老熟人,ALGOL60是1972年中國的主流語言,毫無疑問是自己寫的編譯器(程虎等前輩的工作)。但跟美國不同,中國人主要專注于科學計算,所有的計算機都是批處理系統并且大量使用紙帶輸入輸出,而且對研發超高性能巨型機有蜜汁熱忱(到現在都是)。他們對計算機的其他應用場合如商業和生產管理涉獵不多,對與這些應用領域的基礎研究如分時系統也興趣不大——當被問到相關問題時,中國人給了個中國人都懂的中國式回答:“We would like to know what problems you have had with time-sharing. The concepts of time-sharing are understood”.

1978 - 1980

  從1978年到1980年,IEEE計算機學會中國學習小組連續三年組織訪問中國,提交了三篇相當詳細的報告:1978, 1979, 1980. 這三年對中國來說是傳奇性的:從恢復高考和正常大學招生,到正式啟動改革開放;在美國,1977年Apple II發布點燃了PC革命,行業發生了影響至今的巨變。我父母都是1977年第一屆大學生,而我現在就坐在離Apple I誕生地不到1邁的地方閱讀這些原始記錄。

  美國人看到的第一個變化是計算機型號變多了。1973年四機部在北京召開了第一次計算機專業會議,決定系列化發展。中國通過日本渠道引進了NOVA 1200小型機技術,發展出了被廣泛使用的DJS-130系列,也就是我在爸爸的課本上看到的機型。到1978年,中國已經能「量產」標稱速度達1MIPS的TQ-6型機,能夠制造2MIPS的013型大型機。1979年,他們在上海華東計算技術研究所看到了最新研制的雙CPU, 速度高達5MIPS的HDS-9型。新型號新架構的研發還在進行中,這包括架構上參考PDP-11的小型機系列和參考IBM360/370的大型機系列。清華的半導體實驗室已經研發出DARM. 研究所里充滿了樂觀情緒。

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  在生產環節,美國人奇怪地發現,各地的計算機制造廠拿到生產圖紙之后,不僅要生產計算核心,還需要自己生產組裝各種外設配件,各廠家基于相同的圖紙生產出來的同型機器也會微妙地不兼容。美國人非常正確地猜測,這個布局的目的是即使半個中國被戰爭摧毀,剩下的一半還能保持生產運作。計算機的接線工作仍然是純手工完成——這被美國人稱為“1955 vintage”, 集成電路版依然是手工鉆孔手工點焊,磁芯內存陣列仍然是手工繞制。他們也參觀了當時的IC龍頭上海無線電七廠,注意到這里的生產良率極低,原因是空氣中污染顆粒太多,而工廠并沒有除塵或濕度控制設施。這樣的生產條件下,他們生產的芯片集成度要比美國低一個量級,計算機要使用更多的電路板,需要更多的人工接線,也就是更低的生產效率和更差的產品可靠性。美國人還注意到,那個上海的前門窗把手廠頻繁地出現在文宣資料里——原來,這是被作為「實踐出真知」的典范宣傳的。同一年,鄧小平出訪日本,各處參觀后發出了感嘆:「我明白了什么是現代化」。

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  軟件系統的變化并不多,ALGOL60仍是主流,但中國人也開始嘗試引入FORTRAN IV, 甚至Pascal. 父親的課本上ALGOL60部分明顯破舊而且有密密麻麻的筆記,而FORTRAN部分非常干凈,大概也反映了這個現狀。計算機應用仍然集中在科學計算領域,TQ-6上有了簡單的分時操作系統,采用固定分區而不是虛擬內存系統,可以支持4道程序并行。在所有報告中都沒有提及對數據庫的研究,美國人甚至猜測,或許由于過分專注科學計算,中國人在外存設備研發上投入不足,導致他們甚至沒有足夠性能的存儲設備運行一個現代的文件系統。

  到了1980年,來訪的美國人發現實驗室添置了許多美國設備。1979年,清華大學一口氣購買了7臺PDP-11, 應該還買了Apple II等機器,因為他們在美國人面前用Apple II演示了原始的中文語音識別技術(然后翻車)。參照PDP-11和IBM360/370的新機型研發計劃仍在進行。清華的集成電路實驗室看來已經能夠試制Intel 8080級別的芯片,但清華人已經在瞄準8085級別芯片了。

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尾聲

  我找到的提到中國國產DJS系列計算機的最后一份英文材料來自The China Bussiness Review的1984年5-6月刊 "Minicomputers in China", 并不是技術報告。1984年二月,鄧小平講話:“計算機普及要從娃娃抓起”,全國掀起學習計算機的熱潮。但中國計算機產業的潰敗似乎已經無法挽回。

  中國計算機人并沒有忽視PC革命。1977年,代表中國頂尖水平的清華集成電路實驗室研究了Intel 8080和Motorola 6800芯片后,認為當時中國的制造技術不足以制造這個級別的芯片,但他們用更低集成度的芯片和拼接電路板的方式制造了與8080完全兼容的機型。這樣的產品顯然沒有市場競爭力,雖然DJS系列計算機仍在生產,但進口微機毫不費力地占領了市場。幾年后清華實驗室有了真正的8080級別的芯片制造能力,但此時的市場已經被摩爾定律碾壓了好幾輪。1986年,仿制Apple II的中華學習機面世,是我,可能也是今天許多中國計算機行業中堅與計算機的第一次接觸。1984年的20年后,聯想收購了IBM的PC業務。

  1984年,傳統科研體制內的各大學仍然堅持基礎軟件研究。北京大學正在研究中文激光照排技術,南京大學研究程序語言和分布式系統,人民大學研究數據庫,這些大學在各自研究領域的優勢持續到了今天。但象牙塔外,進口盜版軟件風靡市場。"Minicomputers in China" 記錄了一個故事,一個美國人去一個計算機培訓班授課,發現來聽課的人的預期竟然是學習編程語言,然后回去在微機上自己寫軟件算題目,美國人只是淡淡地向他們展示了VisCalc等軟件——"they love it", 這可能是他們第一次接觸到「用戶軟件」這個概念,他們無疑被立刻征服了。

  產業革命的戰場不僅在清華的無塵試驗室,還在那個上海郊區的前門窗把手廠。在前門窗把手廠所暗示的工業發展水平,人才素質和社會信息需求之下,我不知道當時的中國計算機產業能有什么選擇。

  美國人歷次來訪,都不會看到遠在湖南國防科技大學里緊鑼密鼓發展的銀河超級計算機。銀河一型于1983年通過驗收,性能達到每秒億級,銀河一號不采用集成CPU芯片而是使用大量的電路板和令人頭皮發麻的巨量接線,宣傳文案里還有「全機600多塊插件板,每塊板上有三四千個焊點,創造了200多萬個焊點無一虛焊的奇跡」等字句——誰也別笑誰,CRAY-1也一樣。幾年之后,西方芯片科技一日千里,而目標性能每秒十億級銀河二號已面臨無芯可用的窘境,項目組在架構和工藝上下功夫堆出了符合要求的機器;同期面向市場的曙光一號則基于Motorola芯片構建。2013年,國防科技大學的天河-2以絕對優勢登頂TOP500; 2016年,神威太湖之光采用了基于DEC Alpha架構自行發展的計算芯片,但仍然不能自己流片。

  從1972年到1980年的多次訪問,美國科學家都給他們的中國同行很高的評價。他們聰明好學,眼界開闊,在極度受限的條件下完成了高質量的工作,對技術借鑒乃至仿制也磊落大方。1978年的報告中,作者摘錄了他們的一些提問,從這些問題可以看出他們的眼界和抱負。這些43年前的前輩的問題,不知現在是否都已有了答案:

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