达德利·巴克被遗忘的低温计算机

二战之后，电气工程师们正在努力解决一个基本但悬而未决的问题:电子数字计算机应该如何制造?什么样的开关最适合逻辑电路?主存应该用什么?

他们很快在几个选项中选择了快速真空管作为基本逻辑开关，每台机器都需要数千个这样的开关。(晶体管当时还不是一个重要的候选，它刚刚从贝尔电话实验室(Bell Telephone Laboratories)诞生。)在早期的系统中，主存储器的选择也是多种多样的:专门的阴极射线管、充满汞的管道和涂有磁性涂料的旋转鼓。但是在20世纪50年代早期，技术团体开始集中研究另一种存储器技术——磁芯。这些由铁磁材料组成的小环，在向一个方向或另一个方向磁化时，每个环都保存着一个比特数据。

整个20世纪50年代中期，包含真空管逻辑和磁芯存储器的“大铁制”大型机主导着萌芽中的电子数字计算机世界。随着时间的推移，电子管被晶体管取代，分立晶体管被硅集成电路取代，用于逻辑和主存储器。但这种进步并非不可避免。20世纪50年代和60年代初，一群工程师积极探索数字计算机截然不同的发展道路。

这些探险家中最具独创性的是达德利·艾伦·巴克(Dudley Allen Buck)，他从1950年开始在麻省理工学院工作，直到1959年32岁时突然去世。巴克对微电路的发展做出了重要的早期贡献——追求高度小型化的电路作为整体而不是由离散的元件连接在一起。此外，巴克还发明了“低温加速器”，他希望这种超导开关能成为未来数字计算机的基本组成部分。受到赛珍珠远见的启发，通用电气、IBM、RCA和美国军方都在20世纪50年代末和60年代初启动了大型低温加速器研究项目，然后将重点转向用于计算机逻辑和存储器的硅微芯片。

巴克的眼光比他活得久。即使在今天，它仍然存在:低温加速器是IBM和其他公司制造超导量子比特(量子位)的根本，以追求量子计算。

尽管它引发了几十年的工作，巴克和他的低温加速器已经从人们的记忆中消失了。今天大多数电气工程师对这项技术一无所知。所以让我在这里介绍一下巴克的工作和他现在已经被遗忘的低温计算机。

手工制作:巴克制作了许多原型机，包括一个多振动器电路(上图特写)，其原理图显示了19个独立的低温加速器(下图)。图片来源:Dudley Buck/IEEE(3)

毕业后1948年毕业于华盛顿大学，获得电气工程学士学位后，达德利·巴克加入了华盛顿特区的海军密码学组织，在那里他从事早期数字计算机的工作。1950年，他搬到麻省理工学院，在物理学家的指导下开始了电气工程的研究生学习亚瑟·冯·希佩尔．巴克还成为了麻省理工学院开创性项目的研究助理旋风电脑这是一个用于军事用途的庞然大物。

杰·拉斯特，他是巴克在麻省理工学院的研究生，后来领导了一个团队，创造了第一个平面硅集成电路在费尔柴尔德半导体公司(Fairchild Semiconductor)任职时，他回忆道，他既是一个“伟大的梦想家”，又是一个“好人……好到令人讨厌的程度”。关于为什么Last会有这样的印象，我们可以从巴克在1954年写的一封信中找到线索，当时他只有27岁:“我有一个17岁的养子，他和我在一起4年了，当了6年的童军队长，我是卫理公会教会的一名非信徒演讲者，我偶尔会在周日早上的讲坛上布道。我喜欢以人类的价值观和工程的价值观工作。”

尽管赛珍珠有着丰富的个人生活，他还是把大量的精力投入到他在麻省理工学院的研究中。早期，作为旋风项目的一部分，他研究了各种制造磁芯的材料。他还寻找具有显著物理性质的材料，这些材料可以作为改进开关的基础，从而制造高级数字计算机。

1952年，巴克的注意力落在化学元素铋上，铋具有很强的磁电阻性:它的电阻率随着磁场的作用而急剧上升，尤其是在低温下。在液氦的沸点(4.2开尔文)，铋的电阻随着强磁场的应用而变化数千万倍。巴克认为这种行为可能对制造计算机有用。控制导线中相对较小的电流及其产生的磁场，可能会使一块铋的电阻率发生巨大变化，突然停止或允许电流通过它。他会有一个电子开关。

到1954年，巴克开始关注在液氦低温下发现的一个更极端的电磁怪癖:超导性。这种现象虽然奇特，但却是公认的。自20世纪初以来，物理学家们就知道，当冷却到液氦沸点附近时，各种金属就会失去电阻完全。

超导性也有磁性的一面，称为迈斯纳效应．一块超导材料可以排除磁场——但只是在一定程度上。如果施加足够大的磁场，材料几乎在瞬间就会进入电阻状态。如果磁场被移除，材料就会回到超导状态。

巴克从这一现象中看到了一种新的、独特的电子数字计算机组成部分的可能性:一种磁控制的超导开关。他认为它可以同时打败电子管和磁芯。超导开关可以非常小、快速、消耗很少的能量。

巴克将他的发明命名为低温加速器，使用了一个未来主义的，典型的20世纪50年代的回忆低温(希腊语，意为“冰冷的”)电子产品．但他并不只是构思和命名。他立即制造并测试了数十个原型机。

巴克发明的第一个低温制冷机非常简单。它们只不过是一根很短的钽丝，他在钽丝上绕了一些铜丝，形成了一个紧密的螺旋。然后，他在钽和铜线的两端连接了导线，这样低温加速器就可以浸入液氦容器中，同时仍然连接到外部电路。

通过将电流通过铜螺旋，从而产生磁场，巴克可以将钽线从超导性变为电阻性。更重要的是，他的原型显示了收益。也就是说，铜线绕组中的小电流可以控制钽线中的大电流。就像三极管真空管和晶体管一样，巴克的低温加速器可以充当数字计算机的逻辑开关。

巴克被他的新型超导装置的前景所吸引。他设想用他在硕士论文中设想过的印刷电路技术制造大型低温低温管阵列。从这些，甚至从他的线绕低温加速器，巴克相信一个全低温电子计算机可以建立，低温加速器服务于逻辑和记忆。但他很担心原型机的切换速度，慢得令人失望——勉强比机电继电器好。

为了追求更好的性能，巴克尝试了许多不同的材料。例如，铅与铌的结合，可以提供5微秒的开关时间，这还不错，但仍然比那个时代最快的晶体管慢得多，后者的开关速度是前者的100倍。但巴克相信，通过缩小它们的物理尺寸，他可以建造出与最好的晶体管相匹配的低温低温管。

与此同时，巴克将几个手工绕制的低温冷冻机连接在一起，成功地制造了一个逻辑门、一个触发器和一个扇出放大器。因此，他仅用低温加速器就创造了数字计算机存储器和逻辑所需的所有基本电路。全低温超导计算机并非空想。

20世纪50年代的大铁:巴克(下图)预计工程师们有一天能够制造出面包盒大小的计算机，其功能与麻省理工学院的旋风(上图)相当。图片来源:麻省理工学院博物馆

此时此刻，赛珍珠的研究计划以及他的雄心壮志都得到了极大的扩展。他相信，通过使用微型化技术，他能够制造出一台包含数万个低温电子的计算机。巴克的计算机的计算能力大致相当于当时世界上最先进的数字计算机之一“旋风”，但它需要很多装满电子设备的房间，并消耗150千瓦的电力。

这位28岁的工程师实际上是在提议把Whirlwind压缩到收音机那么大，然后把它浸泡在一桶液氦中，用不超过圣诞树灯泡消耗的能量来运行它。他的设想很大胆，但他的论证、热情和结果使他的同事们相信低温加速器是有价值的。

低温加速器的研究现在成了巴克在麻省理工学院的正式工作林肯实验室．当他继续研究更小、更快、更低功率的低温加速器时，他同时开始了一个创建大型计算机存储器的项目，对这个项目来说，现有低温加速器的缓慢切换速度无关紧要。

Buck提议使用75000个低温加速器来形成今天所说的内容可寻址存储器。巴克自己后来把它称为“识别单元”。这是因为许多内存位置中的每一个都被同时检查，以查看它是否包含所需的信息。

这种记忆对密码分析有特别的好处，在密码分析中，模式的识别往往是至关重要的。我怀疑赛珍珠建造这个机器的动机来自于他早期为海军研制密码破译机的工作，以及他在麻省理工学院为新公司提供咨询服务的经历国家安全局(国家安全局)。在任何情况下，他的全低温识别单元只有一个公文包那么大，但3.2千字节，大致相当于旋风的主磁芯存储器。

1955年年中，正当巴克准备低温加速器的专利申请时，有关他努力建造低温加速器的消息传来content-addressable记忆传遍了美国密码学和计算机圈，引起了相当大的兴趣。同年7月，IBM副总裁、公司电子计算领域的领导者约翰·麦克弗森(John McPherson)写信给赛珍珠，解释说美国国家安全局首席密码学家威廉·弗里德曼(William Friedman)对赛珍珠的超导计算机组件“非常感兴趣”。

巴克在收到麦克弗森的信几天后就提交了专利申请。专利是关于"磁控门控元件，包含了对低温加速器及其在计算机中的应用的广泛主张。

在这一点上，巴克的低温加速器研究扩展到了麻省理工学院之外，尽管只是在纪念大道上。他与合同研究公司签署了一份冷冻技术咨询协议亚瑟·d·利特尔．以其麻省理工学院化学家创始人ad . Little的名字命名，该公司毗邻麻省理工学院校园，在20世纪50年代已成为用于生产液氦的低温恒温器的主要生产商。在美国国家安全局的赞助下，Buck和ad . Little的研究人员开始开发Buck的低温识别单元，从一个较小的概念验证存储器阵列开始。

在1955年剩下的时间里，巴克在麻省理工学院的个人低温加速器研究集中在创造微型低温加速器，甚至是集成低温加速器阵列，使用蒸发薄膜。他不想把小电线缠绕在一起，而是想把金属通过模版蒸发到基片上，从而形成超导材料的模式化薄膜。在这层薄膜上，他会通过另一个掩模蒸发控制线路。这样，他就能打印出低温低温电子设备，以及它们的阵列。

在准备过程中，巴克测试了各种由铅、铋、锶、铟和其他元素的合金制成的薄膜。在这些实验中，他制造了一种100纳米厚的铅铋锶合金薄膜，这种薄膜可以在0.1微秒内在超导态和电阻态之间切换，这是当时最快的晶体管速度的十分之一。Buck还设计了大量的二进制电路，这些电路可以完全由低温加速器构成，包括触发器、门、多振器、加法器和蓄能器。

随着他的专利申请和重要研究的完成，巴克准备向世界宣布低温加速器的发明。他提交了一篇题为低温加速器-一种超导计算机组件1955年11月，IEEE前身之一的无线电工程师学会发表了这一演讲。在论文中，Buck详细介绍了线绕式低温加速器和一系列可以用它制造的基本数字电路，强调了这种超导设备在计算中的意义。巴克写道:“低温加速器在目前的发展状态下……可以用作逻辑电路中的有源元件。”他毫不掩饰自己的信念:在不久的将来，“一台大型数字计算机可以被制造成只占据一立方英尺的空间。”据推算，这种机器所需的功率约为半瓦。”

赛珍珠的讨论本文的切换速度,相比之下,腼腆:“该设备目前有点速度比机电继电器,但远低于真空管和晶体管。一项提高速度的计划正在实施中。”虽然巴克已经测试过可以接近最快晶体管的薄膜低温加速器，但他对这一进展和正在进行的低温加速器识别单元的工作缄口不谈。

放大尺寸:巴克手里拿着一个碎片大小的低温加速器原型，还有一个体积大得多的真空管和一个晶体管。图片来源:麻省理工学院博物馆

巴克的文章发表在IRE的程序(1956年4月)，他经常创造和测试薄膜低温加速器。ad . Little公司的概念验证低温加速器存储器装置的工作正在进行中，国家安全局工程师阿尔伯特·斯莱德在巴克的建议下开始了他自己对低温加速器电路的研究。

大约在这个时候，巴克向冯·希佩尔提交了他的博士论文想法。他的大纲并不令人意外:巴克将研究超导材料的蒸发薄膜，并研究如何控制薄膜的厚度和几何形状，以创造快速开关的低温加速器。冯·希佩尔签署了这项提案，并承诺将迅速产生令人兴奋的结果。

直到1959年他去世巴克是扩大和加强开发集成低温微电路努力的中心。例如，阿尔伯特·斯莱德从国家安全局调到ad . Little，从事低温加速器识别单元的工作。另一位国安局研究员霍勒斯·萨普·曼恩在与巴克协商后开始研究蒸发薄膜低温制冷机。1957年，IBM和RCA各自启动了nasa资助的开发高速薄膜低温电路的项目。通用电气(General Electric)通过一个自筹资金的低温加速器研究项目增加了这一势头。巴克还是麻省理工学院的研究生，现在遇到了一些激烈的竞争。

以他特有的方式，巴克为他的研究设定了更高的目标。他与Kenneth R. Shoulders合作完成了这项研究，Kenneth R. Shoulders和Buck一样，都是von Hippel麻省理工实验室的成员。肩部正在积极追求一种不同的创新:使用电子束“微机器”，或蚀刻极小的微电路。这种方法，后来被称为电子束光刻技术在制造硅微芯片方面，美国已经成为不可或缺的原料。在20世纪50年代中期，肩膀公司的目标是制造特征小到100纳米的电子设备——比病毒还小，比任何人曾经尝试制造的任何东西都要小几个数量级。肩部的雄心壮志与巴克的愿望完全一致，即通过小型化来提高低温加速器的速度，并创建大规模的集成阵列。

在他们的共同工作中，肩部探索了各种操纵电子束的方法，而巴克评估了各种超导合金和电子束蚀刻的抗蚀材料。两人一直在一起工作，直到1958年年中，巴克获得了博士学位，并在麻省理工学院电气工程系担任助理教授斯坦福研究所在加州门洛帕克

作为他们合作的高潮，巴克和肩膀在1958年12月向东部联合计算机会议提交了一篇题为“微型打印系统的方法”的论文。这篇论文表达了他们对未来大规模集成微电路的共同信念。他们写道:“数字计算机不再是通过将成千上万个单独制造的零件组装成插件来制造的，这一天正在迅速临近。”“相反，一台完整的计算机或计算机的很大一部分可能会在一次加工中制造出来。”

在发表这篇论文五个月后，巴克突然去世。1959年5月18日，他在实验室笔记本上的最后一笔记录，描述了他沉积硼元素薄膜的努力。在接下来的几天里，巴克因呼吸窘迫而死于5月21日。距离他32岁生日还不到一个月。

尽管他当时死于病毒性肺炎，但我相信他的沉积实验可能是罪魁祸首。巴克5月18日的工作涉及两种物质，需要极其小心。他的硼的来源是三氯化硼气体，沉积硼膜的过程产生氯化氢气体。暴露于任何一种气体，更不用说它们的组合，都会导致致命的肺水肿，症状类似于肺炎。虽然巴克在麻省理工学院上过化学课程，但他并不是化学家。他可能没有意识到危险，也没有足够的经验安全地对付这些气体。无论如何，对于他的同事们来说，巴克的死是一个悲剧。

冷子管的研究并没有因为巴克而结束。制造低温计算机的努力一直持续到20世纪60年代。曼恩曾在美国国家安全局从事薄膜低温制冷机的研究，20世纪50年代末，他转到天合公司位于洛杉矶的空间技术实验室工作。在那里，他追求电子束光刻技术，直到1966年才制造出薄膜低温加速器。ad . Little的研究人员继续开发低温存储器阵列，试图建立巴克的识别单元。

与此同时，GE、IBM和RCA在20世纪60年代早期开发了薄膜低温加速器微电路，特别是用于存储器。到1961年，通用电气的研究人员已经生产出一种可用的集成移位寄存器，由薄膜低温加速器制成，其复杂性与当时的硅集成电路相当。不到两年，通用电气的低温微电路就成功了超过了硅芯片的集成度。那里的研究人员甚至用三组集成的低温加速器制作了一台实验性工作计算机。

尽管有这些努力，在20世纪60年代，硅微芯片的快速发展——尤其是它们降低电子产品成本的能力——盖过了低温加速器的进步，导致了由硅逻辑和磁芯存储器主导的数字计算机。到20世纪60年代中期，大多数低温加速器研究人员放弃了超导开关，将注意力转移到硅上。

然而，有些人仍然坚持。他们的注意力集中在特殊的低温加速器上，这种低温加速器表现出一种量子力学现象约瑟夫森效应．在20世纪70年代早期，IBM的研究人员创造了被称为约瑟夫森结的改良低温加速器。这些是IBM建造超导计算机的巨大努力的核心，该努力一直持续到20世纪80年代。约瑟夫森结仍然是IBM和其他公司量子计算研究的支柱。

所以巴克的低温加速器从未真正消失。它以不同的形式和不同的名称，在硅微芯片的长期阴影下幸存了下来。我们只能猜想，如果巴克活得更久，他还会探索更多的东西。

本文原题为《达力·巴克和从未存在过的电脑》。