研制背景

大约是1934年的某一天，美国爱荷华州立大学数学和物理专业的一位助理教授正摩拳擦掌，誓要改造学校租用的一台IBM制表机，使它成为更强大的计算机器，并立刻动起手来。这一举动令IBM的售货员大为紧张，毕竟学校只是租赁，并没有把机器买下来，赶紧写信叫停了他的“鲁莽”行为，并要求把已经改动的地方恢复原样。

这位助理教授名叫约翰·阿塔纳索夫（John Vincent Atanasoff），他拥有佛罗里达大学电气工程学士学位、爱荷华州立大学数学硕士学位和威斯康星大学理论物理博士学位。专业上繁重的计算令他苦恼已久，在制表机的改造计划落空之后，他决定自己建造一台计算机。扎实的数学功底使他在设计机器时游刃有余，电气和物理方面的专业知识也使他看到使用电子管的可行性。1939年春天，他成功获得了学校的经费，此时还差个助手帮他一起完成这一项目。一位同事将自己优秀的学生克利福德·贝里（Clifford Berry）推荐给了他，当时贝里刚从电气工程专业本科毕业，便顺势成为了阿塔纳索夫的研究生。

约翰·文森特·阿塔纳索夫（John Vincent Atanasoff），1903-1995，美国物理学家、发明家。（图片来自维基百科）

不到3年时间，机器便基本完工，它包含了数百个电子管，以及1600米左右的电线。因为是阿塔纳索夫设计的，人们便理所当然地称之为阿塔纳索夫机，其实贝里的贡献也不容忽视，在1963年贝里去世之后，阿塔纳索夫为了纪念这位出色的学生、自己的得力助手，正式将机器命名为阿塔纳索夫-贝里计算机（Atanasoff–Berry computer），简称ABC。巧合的是，这个在英文中代表“入门”和“基础”的单词，也正是第一台电子计算机的名字。

组成结构与工作原理

可惜的是，这台划时代的计算机没有保留下来，我们现在所能见到的是爱荷华州立大学在1997年重建的复制品。它借用IBM的80列穿孔卡片输入十进制数据，读卡器在读入后将它们转换为二进制形式存入两个滚筒状的存储器（图中另一个滚筒存储器被右侧控制台遮挡），计算单元由电子三极管逻辑电路构成，计算结果被转换回十进制后通过示数齿轮显示。对于规模稍大的问题，ABC还提供了读写二进制中间结果的装置。

ABC复制品（原图来自维基百科）

这是一台专用的电子计算机，用于求解线性方程组，最多支持29个方程。我们知道，单个线性方程要有解，只能含有1个未知数，但需要2个已知数——未知数的系数和常数，比如下例方程的已知数为(1,2)：

由两个线性方程构成的方程组则可以含有2个未知数，但每个方程都需要3个已知数，比如下例中2个方程的已知数分别为(1,2,4)和(1,-2,-4)：

以此类推，由29个线性方程构成的方程组，每个方程需要30个已知数，分别为29个未知数的系数和1个常数。对于这种极限情况，ABC共需处理29组（每组30个）已知数，但阿塔纳索夫考虑到每联立两个方程就能消去一个未知数，可以让ABC每次只处理2组已知数。于是他为ABC装配了2个（而不是29个）滚筒存储器，每个滚筒存储30个50位二进制定点数。

ABC滚筒存储器（图片来自http://jva.cs.iastate.edu/operation.php）

滚筒的筒壁上整整齐齐排布着32圈、每圈50个电容，其中30圈用于存储数据，多余的2圈作为备份。电容具有两个电极，可分别施加高电压和低电压，故而可用“一高一低”和“一低一高”两种状态表示0和1。并且，带电的电容可以提供导通电子管的电压，反之，电子管也可以为电容充电——两者天生具备着二进制数据的传递能力。

由于电容比较“健忘”（离开电源后在一定时间内会自行失电），滚筒每秒旋转一周，固定在台面上的电刷就对电容进行一次充电。对此，阿塔纳索夫打过一个生动的比方：一位家长让孩子去小店里买东西，孩子怕自己忘了，便在去的路上一遍又一遍地提醒自己“一打鸡蛋、一磅黄油”。滚筒存储器的学名叫做再生式电容存储器（regenerative capacitor memory），阿塔纳索夫首次将“memory”这个原本表示人类记忆的单词用在了机器身上。

在滚筒旋转一周的短短1秒内，计算单元便完成了30对二进制数的加减运算，机械和机电时期的人们估计很难想象这种魔鬼般计算速度。事实上，电容只占据了滚筒柱面的5/6，计算是在5/6秒内做完的。ABC的电源是美国标准的60Hz交流电，50位二进制数的处理只用了其中的50Hz。

ABC使用了4.1节中提到的二进制加法器（减法通过二进制补码转换为加法），每个单数位加法器由14个三极管（7个双三极管）组成。机器工作时，站在一旁的操作人员能明显感觉到它们的热量。

ABC单数位加法器（图片来自维基百科）

常规思路中，我们需要50个串联的单数位加法器，以实现2个50位二进制数的相加，并通过30次运算完成30对数的相加。但ABC只用了30个单数位加法器，每次相加的不是2个完整的二进制数，而是将30对数的某个数位两两相加，并通过50次运算完成50个数位的两两相加。下图给出了两种方案的示意，为便于理解，图中将数据规模简化为每个滚筒包含3个5位二进制数。

二进制加法的常规方案和ABC方案

尽管有着很高的计算速度，但ABC每次只能处理2个方程的已知数，使用者需要不断地输入新的数据，并通过控制台上的指令开关告诉它下一步该干什么。据估计，求解29个线性方程需要约25小时。除了通用性，自动化和可编程性也是ABC的短板。

为了提高效率，阿塔纳索夫也做了不少努力，中间结果的读写装置就是其一。他觉得传统的穿孔技术太慢，于是直接靠3000V的高压电将纸片烧穿，确保能在1秒内记录1500个二进制位。可惜的是，在美国参战之后，阿塔纳索夫应征为军事部门贡献智慧，中间结果读写装置未能完成，整台ABC也因而在历史上留下了“未完成”的标签。如果没有战争，阿塔纳索夫还将提高ABC的自动化程度，并尝试实现通用计算机。

后话

ABC是在爱荷华州立大学物理大楼的地下室建造的，整体不大，形似一张桌子，约1.5m长，宽、高都是0.91米。但后来，大学统一安装了一批仅0.84m宽的门，ABC所在的地下室也不例外。1948年，当学校准备将这里改造成教室时，发现这台机器已经运不出去了。由于ABC整体是用钢条焊死的，他们只得把它锯成小块，更糟糕的是，除了一个滚筒存储器，这些小块都被无情丢弃。

所以世界上第一台电子计算机被毁的起因，竟是一段区区7厘米的尺寸差异。想必当时爱荷华州立大学的领导并没有意识到ABC的历史价值，不然他们一定会毫不犹豫地将锯子挥向那扇“该死的”门。复制品的造价高达35万美元（相当于如今的50～60万美元），足够他们买一大堆门了。

ABC的许多部件是机电的，比如读卡器、示数齿轮和指令开关，这一特点催生了有关它是机电计算机还是电子计算机的争议。其实，一台计算机是否为电子计算机，主要取决于它的计算部件。即使是现今的计算机，也照样用到了许多机电部件，比如鼠标、键盘和电源开关，这类人机交互层面的部件不应作为机器类型的判据。

ABC有着许多现代计算机的特点，比如二进制数据、电子计算、并行处理和计算-存储分离结构，但它是专用的，不可编程的，更达不到图灵完备，因此还不属于现代计算机的范畴，这为后来ABC与ENIAC的第一之争埋下了伏笔。

参考文献

• 胡守仁. 计算机技术发展史（一）[M]. 长沙: 国防科技大学出版社, 2004.
• Wikipedia. John Vincent Atanasoff[EB/OL].
• Wikipedia. Atanasoff–Berry computer[EB/OL].
• Rojas R, Hashagen U. The First Computers: History and Architectures[M]. Boston: The MIT Press, 2000.