夏培肅甘做中國(guó)計(jì)算機(jī)基石

夏培肅

甘做中國(guó)計(jì)算機(jī)基石

夏培肅（1923 年7 月—2014 年8 月），計(jì)算機(jī)專家和教育家，中國(guó)科學(xué)院院士。試制成功中國(guó)第一臺(tái)自行設(shè)計(jì)的通用電子數(shù)字計(jì)算機(jī)。在高速計(jì)算機(jī)的研究和設(shè)計(jì)方面做出了系統(tǒng)的創(chuàng)造性成果。解決了數(shù)字信號(hào)在大型高速計(jì)算機(jī)中傳輸?shù)年P(guān)鍵問題。設(shè)計(jì)研制的高速陣列處理機(jī)使石油勘探中的常規(guī)地震資料處理速度提高10倍以上，提出了最大時(shí)間差流水線設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)研制成功多臺(tái)不同類型的并行計(jì)算機(jī)。

研核是非 巨細(xì)無遺

夏培肅的數(shù)理基礎(chǔ)非常扎實(shí)，慣于條理清晰、邏輯嚴(yán)密的論證。這些都與她的求學(xué)經(jīng)歷有關(guān)。

夏培肅上大學(xué)時(shí)，有一門基礎(chǔ)課程叫“電工原理”，聽課的人很多，由于女生宿舍離教室很遠(yuǎn)，她趕到時(shí)常常沒有座位，只能站在教室后面聽課。期末考試的時(shí)候，她雖然及格了，但是自己對(duì)這種似懂非懂的狀態(tài)很不滿意，于是下定決心重學(xué)一遍。在重修課程的那段時(shí)間里，她放棄吃早飯，早早去教室搶座位，堅(jiān)持了一個(gè)學(xué)期。最終完全聽懂了老師的講授，期末也考了90多分。

打好了基礎(chǔ)，后續(xù)的專業(yè)課程夏培肅再也不覺得難了。研究生期間，她在“電信網(wǎng)絡(luò)”課程考試中第一個(gè)交卷，并取得了滿分。那時(shí)她對(duì)張量代數(shù)特別感興趣，于是寫了一篇《電路的張量分析》報(bào)告交給張鐘俊教授。不料張教授看完后給她一一指出不足，認(rèn)為她的某些論斷不夠嚴(yán)謹(jǐn)，數(shù)學(xué)基礎(chǔ)不扎實(shí)，理論上也還需要再提高一點(diǎn)。

這件事對(duì)夏培肅的影響很深，她開始懂得做科研工作不能想當(dāng)然，需要非常嚴(yán)謹(jǐn)，每一句話都要有根據(jù)，每一個(gè)細(xì)節(jié)都不能放過。

夏培肅調(diào)入電訊網(wǎng)絡(luò)研究室的第一個(gè)任務(wù)是熟悉閔乃大教授的“電訊網(wǎng)絡(luò)”講義。由于早年學(xué)習(xí)過“電信網(wǎng)絡(luò)”，后來又接觸了不少深層數(shù)學(xué)知識(shí)，夏培肅理解講義完全沒有障礙，甚至發(fā)現(xiàn)了一個(gè)隱蔽的小錯(cuò)誤。剛開始閔乃大不認(rèn)為是錯(cuò)，他們倆在辦公室的黑板上爭(zhēng)論了幾次，都沒有結(jié)果。夏培肅就一絲不茍地用復(fù)變函數(shù)的方法一步一步把結(jié)果重新推導(dǎo)了一遍，閔乃大才發(fā)現(xiàn)了錯(cuò)誤，也由此對(duì)她刮目相看。

1952 年的秋天，夏培肅在華羅庚先生的家中表達(dá)了愿意搞電子計(jì)算機(jī)的想法，她的人生從此與中國(guó)計(jì)算機(jī)事業(yè)交匯。當(dāng)時(shí)蘇聯(lián)的計(jì)算機(jī)技術(shù)遙遙領(lǐng)先，而我國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域還是一片空白。

由于計(jì)算機(jī)是一門新興的學(xué)科，許多專業(yè)名詞都是英文和俄文的。當(dāng)時(shí)，國(guó)內(nèi)沒有人懂計(jì)算機(jī)。夏培肅和小組成員們從零開始，到圖書館的英文期刊中摘選關(guān)于計(jì)算機(jī)的文章，并委托在國(guó)外的同學(xué)郵寄一些英文的計(jì)算機(jī)書籍，廣泛閱讀，以此來啟發(fā)思路。

1956 年，國(guó)家派出了一個(gè)計(jì)算機(jī)技術(shù)赴蘇考察團(tuán)，計(jì)劃考察回國(guó)之后就著手仿制M-20機(jī)。夏培肅也是其中一員，她被分到通用計(jì)算機(jī)研究室學(xué)習(xí)M-20機(jī)的總體設(shè)計(jì)和運(yùn)算控制器。經(jīng)過深入學(xué)習(xí)，夏培肅對(duì)M-20機(jī)有了清晰的認(rèn)識(shí)。

M-20是三地址指令計(jì)算機(jī)，但實(shí)際運(yùn)算中很多指令并不需要3 個(gè)地址。夏培肅并沒有盲目地仿制蘇聯(lián)技術(shù)，她結(jié)合自己所學(xué)，把M-20修改為一地址指令計(jì)算機(jī)，增加了一些指令，并重新設(shè)計(jì)了每條指令的執(zhí)行過程。詳細(xì)的修改記錄被制成兩本厚厚的資料，印刷了100 套。按照這些資料中的細(xì)節(jié)指示，可以直接畫出邏輯圖來。

夏培肅在整個(gè)過程中事無巨細(xì)、極其周到。后來蘇聯(lián)在調(diào)試M-20機(jī)的時(shí)候不順利，我國(guó)也就放棄了仿制M-20機(jī)的想法。盡管如此，這一次對(duì)M-20機(jī)的改進(jìn)，展現(xiàn)出了夏培肅對(duì)待工作的態(tài)度與能力，同時(shí)也為我國(guó)后來研發(fā)大型計(jì)算機(jī)培養(yǎng)了幾位設(shè)計(jì)人才。

細(xì)致入微 嚴(yán)謹(jǐn)制造

1956—1962 年，清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等高等學(xué)校合作承辦了4 屆計(jì)算機(jī)訓(xùn)練班，夏培肅主講“電子數(shù)字計(jì)算機(jī)原理”課程。

可是講什么？怎么講？中國(guó)并沒有統(tǒng)一的計(jì)算機(jī)原理教材。要想彌補(bǔ)人才稀缺的短板，在教育這一塊必須打好堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。于是，夏培肅開始著手編寫計(jì)算機(jī)原理講義。她在為一些術(shù)語定名時(shí)字斟句酌，力求將每個(gè)名詞概念準(zhǔn)確翻譯和表達(dá)。這樣反復(fù)推敲后得來的很多意譯沿用至今，如英文bit，中國(guó)臺(tái)灣學(xué)者譯為“元”，夏培肅譯成“位”，現(xiàn)在常用在32 位處理器、64 位操作系統(tǒng)等術(shù)語中；英文memory，中國(guó)臺(tái)灣學(xué)者譯為“記憶體”，夏培肅譯成“存儲(chǔ)器”，現(xiàn)在常用在內(nèi)存、緩存等術(shù)語中。這套《電子計(jì)算機(jī)原理》講義，是我國(guó)第一套關(guān)于計(jì)算機(jī)原理方面的原創(chuàng)教材。

1959 年，計(jì)算技術(shù)研究所的領(lǐng)導(dǎo)將計(jì)算機(jī)教研組改名為107計(jì)算機(jī)研究組，由夏培肅負(fù)責(zé)。其實(shí)夏培肅很早就開始了107計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)，但為了培養(yǎng)我國(guó)自己的計(jì)算機(jī)專業(yè)人才，夏培肅承擔(dān)起了計(jì)算機(jī)訓(xùn)練班這項(xiàng)艱巨而光榮的任務(wù)，暫緩了107計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)。

夏培肅從大學(xué)開始，做的電路實(shí)驗(yàn)所用的電子管型號(hào)和特性都是美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的，但北京電子管廠在蘇聯(lián)的幫助下建成投產(chǎn)之后，所生產(chǎn)的電子管型號(hào)和特性都是蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)的。電子管雖然小，卻是制造計(jì)算機(jī)最基礎(chǔ)的元件，型號(hào)不合是萬萬不能的。于是夏培肅讓訓(xùn)練班的全體學(xué)員都用蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)的電子管做基本電路，以此來了解蘇聯(lián)電子管的特性。

當(dāng)時(shí)計(jì)算技術(shù)研究所按照蘇聯(lián)圖紙復(fù)制的103計(jì)算機(jī)很不穩(wěn)定，打開或關(guān)上機(jī)房的日光燈都會(huì)產(chǎn)生電磁波干擾，每隔半小時(shí)左右就要出現(xiàn)一次故障。為此，夏培肅設(shè)計(jì)了一個(gè)很穩(wěn)定的觸發(fā)器，不會(huì)因?yàn)殡S意開、關(guān)日光燈而造成觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，為107計(jì)算機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。

在107計(jì)算機(jī)加工前，夏培肅讓在實(shí)驗(yàn)室做畢業(yè)設(shè)計(jì)的學(xué)生對(duì)機(jī)器所用的電容和電阻進(jìn)行了嚴(yán)格的篩選和測(cè)試。當(dāng)時(shí)的人工焊接很容易出現(xiàn)虛焊，為了準(zhǔn)確檢測(cè)，夏培肅親自動(dòng)手，提出了單脈沖循環(huán)的檢查方法（產(chǎn)生一個(gè)單脈沖在需要測(cè)試的器件和焊點(diǎn)所形成的回路中運(yùn)行，如果運(yùn)行不間斷，說明一切正常；如果運(yùn)行停止，則說明回路中的器件或焊點(diǎn)有問題），來確保萬無一失。

到調(diào)試階段，夏培肅又編制了計(jì)算機(jī)電路、插件、部件和全機(jī)聯(lián)調(diào)的調(diào)試手冊(cè)，將先做什么，后做什么，每一步都寫得清清楚楚。在調(diào)運(yùn)算器時(shí)，為了找出除法調(diào)不出來的原因，她花了一個(gè)通宵，發(fā)現(xiàn)了設(shè)計(jì)時(shí)的疏忽——除法器中有一個(gè)信號(hào)沒有和時(shí)鐘脈沖對(duì)齊，并很快修改解決了它。

1960 年年初，107計(jì)算機(jī)搬遷到位于北京玉泉路的中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)。由于房間緊張，107計(jì)算機(jī)被安置在一間沒有通風(fēng)系統(tǒng)的大教室里，只有窗戶上的排風(fēng)扇和教室里的幾臺(tái)電風(fēng)扇來為電子管散熱。在這樣的情況下，107計(jì)算機(jī)仍然能正常工作。

同年4 月，107計(jì)算機(jī)連續(xù)無差錯(cuò)地工作了20.5 小時(shí)，最后是人工停的機(jī)。根據(jù)美國(guó)公布的資料，馮·諾伊曼設(shè)計(jì)的EDVAC于1951 年研制成功，到1960 年才能達(dá)到每天超過20 小時(shí)的生產(chǎn)性運(yùn)行，平均無差錯(cuò)工作時(shí)間為8 小時(shí)。107計(jì)算機(jī)的穩(wěn)定工作時(shí)間比當(dāng)時(shí)仿制蘇聯(lián)的103計(jì)算機(jī)無差錯(cuò)工作時(shí)間長(zhǎng)幾十倍。直到1962 年，有專家對(duì)107計(jì)算機(jī)做技術(shù)鑒定，在機(jī)器運(yùn)行程序的過程中突然斷電，再合閘后原本運(yùn)行的程序仍然能繼續(xù)正確執(zhí)行。

就在研制107計(jì)算機(jī)期間，中蘇關(guān)系達(dá)到冰點(diǎn)，蘇聯(lián)終止了對(duì)中國(guó)所有的技術(shù)援助，國(guó)際上不少人認(rèn)為中國(guó)的計(jì)算機(jī)事業(yè)發(fā)展將止步于此。但夏培肅沒有退縮，她不在意外界的變化，腳踏實(shí)地地專注于每個(gè)環(huán)節(jié)的研制，最終，造出了我國(guó)第一臺(tái)自主設(shè)計(jì)的電子計(jì)算機(jī)——107計(jì)算機(jī)。

大膽設(shè)想 小心求證

夏培肅對(duì)待工作力求穩(wěn)妥，可這并不意味著按部就班的一味謹(jǐn)慎。面對(duì)未知，她也會(huì)大膽地提出假設(shè)，并且認(rèn)真求證，以保證最后的結(jié)論是真實(shí)可靠的。

20 世紀(jì)50 年代，國(guó)內(nèi)外計(jì)算機(jī)所用的電子器件幾乎都是電子管。然而隨著時(shí)間的推移，電子管暴露出了很多問題：功耗大、速度慢、電源種類多、體積大、壽命短。這些缺點(diǎn)使得新型器件的研究迫在眉睫。計(jì)算技術(shù)研究所的閻沛霖所長(zhǎng)認(rèn)為夏培肅適合做開創(chuàng)性的工作，于是讓她負(fù)責(zé)預(yù)研組，去開展計(jì)算機(jī)新型器件的研究。

作為一個(gè)試探性的研究，預(yù)研承載著大家的希望。1960 年前后，美國(guó)人Sterzr提出了微波分諧波技術(shù)，以此得到的微波頻率可以達(dá)到千兆赫，比電子管計(jì)算機(jī)的時(shí)鐘頻率高了近百萬倍。據(jù)報(bào)道，日本曾做成過一臺(tái)這樣的計(jì)算機(jī)，這讓夏培肅看到了希望。她迅速安排人員進(jìn)行微波分諧波振蕩器的實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過不懈努力，終于做出了一個(gè)具有雙穩(wěn)態(tài)的微波元件。

然而，在實(shí)際運(yùn)用中，夏培肅與課題組成員發(fā)現(xiàn)用微波元件做計(jì)算機(jī)有四大困難：一是元器件體積過大，每個(gè)器件必須輸入一個(gè)泵頻；二是構(gòu)成邏輯電路不方便，如何實(shí)現(xiàn)基本邏輯，器件之間如何耦合，都是未知的；三是微波傳輸困難，元器件之間的連線太過龐雜；四是微波振蕩的分諧波過程太長(zhǎng)。

深思熟慮之后，夏培肅向閻沛霖所長(zhǎng)匯報(bào)微波元件的進(jìn)展情況，如實(shí)說明了主要問題。她坦言，微波計(jì)算機(jī)在當(dāng)時(shí)是無法實(shí)現(xiàn)的。最終，微波計(jì)算機(jī)的課題在1965 年上半年正式結(jié)束。

在研制雙穩(wěn)態(tài)微波器件的同時(shí)，夏培肅注意到了日本學(xué)者江崎于1958 年發(fā)明的隧道二極管。隧道二極管的主要優(yōu)點(diǎn)是具有負(fù)微分電阻（負(fù)阻），能高速工作，因?yàn)樗且环N多數(shù)載流子器件，不受少數(shù)載流子存儲(chǔ)影響。它的開關(guān)時(shí)間可以達(dá)到1 毫微秒，當(dāng)時(shí)的晶體管開關(guān)時(shí)間尚且在微秒級(jí)。這對(duì)一心想做高速計(jì)算機(jī)的夏培肅來說，無疑是具有吸引力的。

為了開展隧道二極管的預(yù)研，她親自去南京的一個(gè)半導(dǎo)體所協(xié)商，解決了器件的來源問題。接著又開設(shè)了一門“隧道二極管電路原理及變參數(shù)振蕩原理”課程，來幫助預(yù)研組的人員了解其電路的工作原理。1965 年，匯總了預(yù)研組3 項(xiàng)研究成果的《隧道二極管在快速計(jì)算機(jī)線路中的應(yīng)用》在全國(guó)第四屆計(jì)算機(jī)學(xué)術(shù)會(huì)議上發(fā)表。

在研究隧道二極管電路的過程中，夏培肅注意到這種電路的負(fù)載能力差，帶不動(dòng)很多負(fù)載，而在計(jì)算機(jī)中，有時(shí)負(fù)載是很重的；而且隧道二極管的器件重復(fù)性較差，不便于集成電路的大批量生產(chǎn)。經(jīng)過種種權(quán)衡，夏培肅舍棄了采用隧道二極管的方案，提出晶體管可能是計(jì)算機(jī)的主流器件。

計(jì)算機(jī)的更新?lián)Q代不可能一蹴而就，每一次器件的更新、性能的提高，期間都要進(jìn)行不計(jì)其數(shù)的試錯(cuò)。這個(gè)過程不允許任何夸大，要求處處精細(xì)，設(shè)計(jì)者必須求實(shí)求真，每一步都嚴(yán)格把關(guān)，才能將新器件在實(shí)踐中運(yùn)用到計(jì)算機(jī)上。

夏培肅的一生，對(duì)待任何工作都認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)、一絲不茍。早年在計(jì)算機(jī)訓(xùn)練班和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)講課時(shí)，所講內(nèi)容雖已講過多次，但在講課前，她仍會(huì)像第一次講課那樣認(rèn)真準(zhǔn)備，而且每次都要增加新內(nèi)容。1997 年，夏培肅在第94 次香山科學(xué)會(huì)議上作了主題評(píng)述報(bào)告，受到與會(huì)者的高度評(píng)價(jià)。為了這不到一小時(shí)的報(bào)告，夏培肅用了整整兩個(gè)多月的時(shí)間，查閱了大量文獻(xiàn)，親自制作每一張幻燈片。直到會(huì)議前兩天，還在對(duì)報(bào)告內(nèi)容進(jìn)行修改。

李國(guó)杰院士曾說：“在我的印象中，夏先生最大的特點(diǎn)就是嚴(yán)謹(jǐn)。她曾主持編寫《英漢計(jì)算機(jī)辭典》，負(fù)責(zé)《計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)百科全書》體系結(jié)構(gòu)分支的編審定稿，對(duì)每一個(gè)字、每一個(gè)標(biāo)點(diǎn)符號(hào)都仔仔細(xì)細(xì)地審閱校對(duì)，以至于影響了身體健康。90 歲高齡時(shí)，她還在計(jì)算機(jī)上一字一句地修改為《20 世紀(jì)中國(guó)知名科學(xué)家學(xué)術(shù)成就概覽》寫的傳記，她為自己審定的成就概覽沒有一句浮夸之辭?！?/p>

夏培肅面對(duì)諸多宣傳時(shí)一再?gòu)?qiáng)調(diào)：“不要宣傳我個(gè)人，都是大家的功勞?！敝袊?guó)計(jì)算機(jī)事業(yè)的發(fā)展，確有無數(shù)人殫精竭慮、勇往直前，但夏培肅，無疑是這座豐碑最堅(jiān)實(shí)的奠基人。