學習目標
- 了解真空管的發明和工作原理
- 認識第一台電子計算機ENIAC
- 理解真空管相對於繼電器的優勢
- 探討真空管時代的重要發展
真空管的神奇發明
1904年，英國物理學家約翰・佛萊明（John Fleming）發明了第一個真空管—二極管。 這個看起來像燈泡的小裝置，竟然能夠控制電流的方向， 為電子時代的來臨打開了大門！
💡 真空管的工作原理：
- 熱電子發射：加熱燈絲，讓電子從陰極射出
- 真空環境：玻璃管內沒有空氣，電子可以自由移動
- 電場控制：控制極的電壓決定電子是否能通過
- 電流開關：實現電子開關的功能
真空管的演進
📜 真空管發展史：
- 1904年：佛萊明發明二極管（兩個電極）
- 1906年：李德佛斯特發明三極管（增加控制極）
- 1940年代：真空管技術成熟，開始用於計算機
真空管 vs 繼電器：技術大躍進
真空管的出現為計算機技術帶來了革命性的改變：
真空管相較於繼電器的優勢：
| 特性 | 繼電器 | 真空管 |
|---|---|---|
| 速度 | 1-10毫秒 | 微秒級 |
| 可靠性 | 機械磨損 | 無機械部件 |
| 噪音 | 咔咔響 | 安靜無聲 |
| 尺寸 | 較大 | 較小 |
ENIAC：電子計算的巨人
1946年，世界上第一台大型電子計算機ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Computer） 在美國賓夕法尼亞大學誕生。這台使用17,468個真空管的巨型機器， 標誌著真正的電子計算時代開始！
🖥️ ENIAC的驚人規格：
- 真空管數量：17,468個
- 重量：30噸
- 佔地面積：167平方公尺（相當於一個大教室）
- 電力消耗：150千瓦（相當於150個家庭用電）
- 運算速度：每秒5000次加法運算
- 成本：約48萬美元（相當於現在的600萬美元）
ENIAC的革命性特點
- 全電子：沒有機械移動部件
- 程式化：可以透過重新配線來執行不同程式
- 十進位：使用十進位數字系統
- 平行處理：多個運算單元可同時工作
💡 ENIAC的設計創新：
ENIAC採用了模組化設計，包含20個「累加器」，每個都可以儲存一個10位數的數字。 這種設計讓ENIAC能夠同時進行多個運算，大大提高了計算效率。
真空管的工作生活
雖然真空管帶來了計算速度的大幅提升，但它們也有自己的「脾氣」：
真空管的優點
- 超快速度：開關速度比繼電器快1000倍以上
- 無機械磨損：沒有移動部件，理論上更耐用
- 安靜運作：不會發出咔咔聲
- 精確控制：可以精確控制電流大小
真空管的挑戰
- 容易燒壞：高溫工作，燈絲容易燒斷
- 耗電量大：需要加熱燈絲，消耗大量電力
- 發熱嚴重：需要強力冷卻系統
- 體積龐大：雖然比繼電器小，但仍然很大
🔧 ENIAC的維護工作
ENIAC平均每天要更換數個燒壞的真空管。維護工程師必須像醫生一樣， 隨時準備「手術」來替換故障的「器官」。當時有個笑話說： 「ENIAC不是在計算，就是在修理！」
真空管時代的其他重要電腦
英國的Colossus（1943）
實際上比ENIAC更早的電子計算機，用於破解德軍密碼， 但在戰爭期間被列為機密，直到1970年代才公開。
EDVAC和存儲程式概念
1949年的EDVAC引入了「存儲程式」概念， 程式和資料都儲存在同一個記憶體中，這個設計一直沿用到今天。
其他重要的真空管電腦：
- UNIVAC I (1951)：第一台商業用電腦
- IBM 701 (1952)：IBM第一台大型電腦
- WHIRLWIND (1951)：第一台即時電腦
程式設計的誕生
真空管電腦催生了現代程式設計的概念：
- 機器語言：直接用數字指令控制電腦
- 組合語言：用助記符號代替數字
- 高階語言：FORTRAN（1954）等的開發
- 編譯器：將高階語言轉換為機器語言
有趣的事實：「Bug」這個詞真的來自蟲子！1947年， 程式設計師Grace Hopper在Harvard Mark II中發現了一隻卡在繼電器中的飛蛾， 從此「debugging」就成了修復程式錯誤的標準術語。
真空管時代的影響
真空管時代雖然只持續了約20年，但它的影響深遠：
- 計算速度革命：讓複雜計算成為可能
- 科學研究推進：促進了核物理、氣象等研究
- 商業應用開始：大型企業開始使用電腦
- 程式設計學科：軟體工程開始發展
- 電腦工業基礎：奠定了現代電腦工業基礎
🚀 真空管的意外用途
除了計算機，真空管還被用於：電視機、收音機、雷達系統、 甚至早期的電子樂器！它們真正開啟了電子時代。
小結
真空管時代是電腦發展史上的重要里程碑。雖然這些「電子燈泡」 體積龐大、耗電量高、容易故障，但它們證明了電子計算的巨大潛力。 從繼電器的「咔咔」聲到真空管的安靜運作， 電腦正朝著更快、更可靠的方向發展。
然而，真空管的限制也很明顯：太大、太熱、太不可靠。 科學家們開始尋找更好的解決方案， 這就導致了下一個革命性發明的誕生—電晶體！