計算機史話5--個人計算機

集成電路（integrated circuit，IC）自從1958年發明後，就迅速發展起來，不僅替代了昂貴的計算機磁芯式內存，也開始應用於計算機的處理單元。

初期的IC只是把一些基本的邏輯單元電路集成到一個晶元中，如或門電路，被稱為小規模集成電路SSI（small-scale integration），而最早使用SSI的計算機是阿波羅導航計算機（Apollo guidance computer），1960年代早期由麻省理工儀器實驗室（MIT Instrumentation Laboratory）研製，指令艙（Command Module）與登月艙（Lunar Module）各有一台。為了實現完整的計算機功能，往往需要上千塊SSI，但比用全分立元件組成的計算機體積小、耗電省。而美國製造的民兵導彈（Minuteman missile），大量使用了SSI，據說從1962年到1968年，民兵導彈與其他各種軍用裝備形成了4百萬美元的集成電路市場。MOS工藝的集成電路耗電低，還應用到了美國國家航空航天局（NASA）發射的衛星中。這一時期，IBM的System/370系列計算機及DEC的小型機也逐漸改為使用小規模集成電路SSI。

1960年代中後期，發展出中規模集成電路MSI（medium-scale integration），每個晶元包含上百個三極體，因為比使用SSI更方便和成本更低，所以擴展了市場。當時很多半導體公司，如Texas Instruments、Sylvania、Motorola、RCA、National Semiconductor、Fairchild、Signetics等，都推出一系列相關邏輯電路產品，很多系列延續至今，成為工業標準，比較著名是74系列（7400 series）和4000系列（4000 series）。

74系列由德州儀器公司於1964年推出，最早的7400是與非門TTL（transistor–transistor logic）邏輯電路，使用5V電源。從7400開始，幾年間擴展為幾百種型號的系列產品，逐漸成為各個公司以致各個國家都仿製的標準品，並有後續的74L、74LS、74AS等很多技術改進系列，直到現在，其中一些產品還在出售。與此對應，還有軍用的54系列。1965年，一片軍品的陶瓷封裝的74系列IC售價為22美元；到2007年，商用環氧封裝的民品74系列只有0.25美元；目前在中國的電子市場已在1元以內。現在個人計算機上及很多數字電路上還在普遍使用的5V電源，其實就是源於74系列TTL晶元對電源的要求，延續至今。

4000系列也是直到今天仍能見到的邏輯電路產品，1968年由RCA（Radio Corporation of American）推出，使用CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）技術製造，耗電低而且電源範圍寬（3-15V），但工作頻率只能到1MHz，比TTL電路的10MHz要低很多，用於低速場合。其實，Motorola推出的MC14500系列，也往往被納入4000系列中，其中的MC14500就是一塊1位的計算機處理晶元，組合多片就能組成多位的工業用計算機。4000系列後來也被多個公司仿製，成為工業標準品。不過，隨著半導體技術的發展，原來的74系列及4000系列的製造技術已經沒有本質上的差異了，名稱上的差異只是歷史沿革，顯示其最初的來源及晶元邏輯單元功能的不同。

74系列中有一款74181，是一片4位的計算機處理單元，與7418X系列的其他一些晶元組合，就能組成基本的集成電路計算機了。1970年前後，一些小型機就是使用這種方式建造的，比如DEC、Data General及HP公司的部分型號。Data General公司是DEC公司的產品經理Edson de Castro於1968年組建的，使用Fairchild公司的中規模集成電路，於1969年推出16bit字長的小型機Nova，售價4000美元，不過如果加上磁芯存儲器就需要8000美元一台，Nova一共賣出5萬台，當時被一些科學實驗室普遍使用，獲得很大成功。

在那個時代，32位的計算機就能算作mainframe（大型機）了，很令人嚮往，當時一些工程師（如Lee Boysel）已在一些刊物上發表使用大規模集成電路LSI（large-scale integration）組裝大型機的方法。這時的集成電路技術已經可以把上千個三極體集成到一塊晶元上，而使用20多塊這樣的晶元就能組成完整的計算機了，甚至一些機型只需要4片就足夠了，這就出現了單晶元的處理器。

劃時代的Intel 4004是第一塊商用的單晶元微處理器（microprocessor）產品（其他公司更早的軍用晶元被保密很久），最早是為日本的一家計算器公司Busicom設計。當時的計算器主要還是以手搖式機械計算器為主，也不斷有使用晶體管的電子式計算器，但體積比較大。Intel於1971年才完成4004系列晶元MCS-4，包括4片，其中4001為ROM，4002為RAM，還有移位寄存器4003，而4004是一塊4位的處理器晶元。到1976年，Intel發布了MCS-48，片內包括了ROM、RAM及輸入/輸出口，成為完整的單晶元計算機，簡稱單片機，後來也稱微控制器（micro controller，MCU），主要用於工業控制領域。1980年，Intel推出的MCS-51系列，成為單片機中的佼佼者，直到現今還有一些公司在製造兼容其指令集的產品。這是往體積小及廉價方向的發展，當時很多公司也有類似產品，比如TI、Motorola、Zilog等，後來日本、韓國及台灣公司搶佔了這個市場。

1972年，Intel公司推出了8位的單處理器晶元8008，而這款晶元則是為另一家公司 Computer Terminal Corporation (CTC)設計的，並依照CTC公司的指令集，但因為延遲交付且未能達到要求而被棄用。Intel把此晶元放入產品目錄，以每片120美元出售，並取得商業成功。加州大學的Bill Pentz團隊，利用8008晶元構建了一個完整的系統，用磁碟操作系統，內置IBM的BAL語言，包括鍵盤、磁帶機、印表機及彩色顯示器，1973年完成，後來被認為是最早的微型機（個人計算機）。其他使用8008的早期個人計算機還有MCM/70和Micral N等，基本也是1973年推出的，其中Micral N售出9萬台。

也有人認為CTC公司1971年推出的Datapoint 2200已是一種成熟的個人計算機，並在速度上超過使用8008的計算機，但它使用多個晶元組成處理器。CTC公司因為Intel開發的處理器晶元延遲且速度達不到要求而只能使用自己開發的TTL晶元，但TTL晶元因功耗等原因，集成度難以大幅度提高，限制了性能的繼續提升及成本的降低，所以在1980年代的競爭中落敗。

因為8008的成功，Intel在1974年推出了8080晶元，對比8008晶元的時鐘只能為500kHz，8080則達到了2MHz，而且指令集也增強了。使用8080的電子設備主要為計算器、點鈔機、工業機器人等，或者製造大型計算機的智能終端，還有人開發了在此晶元上運行的操作系統CP/M及高級編程語言PL/M。1976年，Intel還推出了只需要使用單5V電源就能組成系統的8085晶元。1975年，微型儀器與自動測量系統公司MITS(Micro Instrumentation and Telemetry Systems)公司推出使用8080的個人計算機Altair 8800，售價400美元。Altair 8800在個人計算機歷史上很值得一提，不僅是因為它賣出了數千台，取得了一些商業成功，更重要的是催生了很多個人計算機，比爾·蓋茨最早移植的Basic產品就用於這種機器上。但Altair 8800隻是一個供計算機愛好者們使用的套件，前面板包括很多開關及發光二極體（LED），操作和使用很複雜，不適合普通用戶使用。但Altair 8800可以通過內置的插槽來擴展功能，後來的很多個人計算機大多也支持擴展槽，便於用戶根據需要及技術的發展升級其性能。

Intel的前員工組成Zilog公司，在1976年推出了Z80晶元，增強了Intel 8080的性能，使Intel的產品黯然失色。Zilog公司後來授權多家公司作為第二來源製造廠，還在日本、東歐等國家被模仿，成為被市場廣泛接受的產品。基於Z80，曾有TRS-80和ZX81等個人計算機出現，TRS-80售價600美元，是比較成功的一種個人計算機，曾經售出幾十萬台。TRS-80後續機型一直售賣到1980年代末。

其實，幾乎與Intel 8008同時，Motorola公司也開始製造微處理器，是基於PDP-11的處理器架構，推出6800，並在1975年出現幾種基於6800的個人計算機，如Sphere I、SWTPC 6800、Altair 680等，其中

Sphere I售價為650美元，但只是套件，並不是成品。

早期的個人計算機還有1973年出現的王安公司的Wang 2200、HP 9830、IBM 5100、Xerox Alto等。但這些計算機主要分為兩類，一類像Xerox Alto這類比較完整的計算機，功能比較好，價格也比較高，要超過5千美元甚至超過萬元，另一類就是像Altair 8800這樣，價格比較便宜，只有500美元左右，但往往只是套件，主要在專業電子產品市場銷售給愛好者，一般用戶很難操作和使用。

第一款商業成功的個人計算機當然就是Apple II，1977年開始銷售，使用MOS Technology（MOSTEK）的6502處理器，1MHz時鐘，4k RAM，有磁帶介面，ROM中內置Basic，可驅動40x24行的單色顯示器，可使用電視機做顯示，使用了開關電源以減小體積，售價1300美元（4k RAM）/2600美元（48k RAM）。Apple II還有可擴展插槽，可接入5吋磁碟，並使用磁碟操作系統Apple DOS，這樣很多應用軟體如dBase資料庫和字處理、電子表格等都可以運行。Apple II後續還有一些改進型，可以將內存升級到1MB，可使用Pascal及Fortran高級語言編程等。這系列產品一共售出了6百萬台，而在最輝煌的1983年就售出1百萬台，也就是形成數十億美元的產值，而蘋果公司在早期每年增長達530%。

Apple II使用的6502處理器是MOSTEK推出的，開發者是Motorola 6800的開發團隊，晶元售價為25美元，只是Motorola和Intel推出的處理器價格的1/6，這也是Apple計算機設計者沃茲尼亞克(Stephen Gary Wozniak)當初選擇它的一個重要原因。沃茲尼亞克是在Homebrew Computer Club活動中上看到Altair 8800計算機的介紹而受到啟發設計Apple I的，當時仍然只是一種套件，但已經可以在電視機顯示屏上顯示字元，去Homebrew Computer Club做演示時有了第一個客戶，以每台666美元賣出了50套，這是Apple公司的開端。

當時，計算機都是昂貴的大設備，最便宜的也需要近萬美元，很多電子愛好者也想擁有自己的計算機，所以有很多DIY（Do It Yourself，自己組裝）的嘗試，並建立起一些相互交流經驗的組織，Homebrew Computer Club就是這類組織，其中很多成員後來都建立起了自己的公司。

在美國這種商業繁榮的市場上，幾乎每種成功的產品都會有很多模仿者及競爭者，Apple II的競爭者主要是Commodore公司的PET和Atari公司的Atari 400，都是基於6502處理器，還有一種TRS-80是基於Z80處理器。這幾款機型在市場上廣受歡迎，擴展市場，特別是教育機構及中小商業公司的市場，這種商業競爭也不斷推升性能的提升。個人計算機因為比DEC的小型機體積更小，價格也更便宜，所以被稱為微型機（microcomputer），簡稱微機。個人計算機在1979年創造了1.5億美元的市場銷售額，並以每年40%的速度增長，吸引了像HP、TI、Data General等大公司加入其中，當然也不可避免地引起計算機巨頭IBM公司的關注。

但IBM已是一個巨大的公司，有非常嚴謹的體制及管理流程，以保證公司的正常運作及產品質量。但這種體制在快速增長及變化的個人計算機市場中非常不適應，曾經推出的像IBM 5100就因價格過高而未能成功，所以IBM決定設置一個特別小組來快速設計一款產品，由埃斯特利奇（Philip Don Estridge）主持，只有12個設計人員。為了儘快完成設計，以適應市場的變化，也是因為人手有限，這款機型沒有像IBM其他產品那樣全部使用自己的硬體和軟體，而是採用IBM工廠已有的或市場上現有的通用產品。處理器使用Intel的16-bit處理器8088（外圍介面8bit），操作系統使用微軟提供的DOS，圖形顯示可使用普通電視機或單色顯示器，而內存、磁帶機都是市售產品，軟盤驅動器可以通過擴展插槽使用。IBM PC於1981年推出，售價1565美元，其中只有鍵盤與主機部分是IBM設計，只對ROM BIOS和公司標誌擁有版權。從配置上看，很像是一種性能提升的Apple II。後來，IBM PC又不斷推出XT、AT等機型，

與IBM對大型機技術的保密不同，IBM PC出售36美元的技術參考手冊，其中包括完整的原理圖、帶有說明的ROM BIOS源代碼，還有此機型相關硬體的工程及編程信息，甚至有設計第三方配件的說明。這種開放的方式，便於其他廠家為其設計擴展卡，也使技術手冊變成學校教材而獲得普及。依靠IBM在計算機行業的品牌影響力，使IBM PC一上市就取得巨大成功，第一天就訂購了4萬台，據估計其中90%的訂購者是軟體開發商。很快，一些擴展卡及擴展盤就開發出來，很多工作室加入編寫能運行在IBM PC上的軟體。不久，在IBM PC上運行的應用軟體及編程語言是Apple計算機上的4倍。到1982年，在工作日內，每分鐘就有1台IBM PC售出。1983年，IBM PC共售出75萬台，到年底時已超過Apple II，市場份額後來逐年上升；而對小型機製造商DEC影響更大，當年只賣出不到7萬台。隨著微型機的性能逐漸提升，與小型機在性能上已非常接近，並具有價格上的優勢，迫使小型機逐漸淡出計算機市場，有些則向高端發展，形成工作站及伺服器這類計算機，主攻專業市場及企業應用領域。

IBM PC的開放結構是一把雙刃劍，雖然藉此迅速打敗市場先入者成為市場贏家，但也成為被仿製的對象，後來都稱為兼容機。製造兼容機的不僅有Compaq這樣的小公司，也有像HP這樣的大公司，製造兼容機成為很大的產業，甚至一些公司（如一些台灣公司），只製造主板或提供使用的模塊、插件，從而形成很大的組裝機市場。像Compaq、Acer、DELL等逐漸成為大型計算機公司，而IBM PC最終只剩一個品牌，授權其他公司製造了。

為了與IBM在個人計算機市場競爭，Apple公司曾推出Lisa、Macintosh等機型，但定價過高，達近1萬美元，封閉的系統也使其應用程序比較少，最終只剩個人計算機市場10%左右的份額，主要在圖形、圖像及多媒體等高端專業應用場合。

而個人計算機時代最大的贏家是提供DOS系統的微軟和被採用處理器的Intel。1980年，比爾·蓋茨從西雅圖電腦產品公司（Seattle Computer Products）購得基於8086晶元的磁碟操作系統86-DOS（其實是仿製的CP/M），並按要求更改後提供給IBM公司，後隨IBM PC出售，稱為PC-DOS。後來，出現大量IBM PC兼容機製造廠，微軟則大量向計算機製造商提供操作系統授權，1年超過70家公司，不僅包括使用8086晶元的機型，也包括其他硬體平台的，通過重新改寫部分代碼保證DOS上可運行相同的應用軟體，最終使MS-DOS成為在個人計算機市場佔用份額最高的操作系統。後來，微軟仿照Apple公司Macintosh機上的圖形界面設計了自己的操作系統Windows，開始也是免費提供的，後來依靠已經擁有的絕對市場份額推出需要付費的Window95升級版，並一步步發展，現在已是Window 10了。

在DOS操作系統時代，微軟雖然也推出一些應用軟體，像較早的Word、Excel等，其實都是仿製的WordStar、VisiCalc等軟體，並一直處於下風，有了自己的Window平台後，圖形界面上的各種應用軟體，如Office系列、Visual Studio系列等才逐漸打敗行業的先行者，成為霸主，比爾·蓋茨才因此成為首富。

Apple公司在競爭中的落敗，連累了Motorola公司處理器晶元的繼續發展。而Intel公司則憑藉IBM PC及兼容機在計算機市場的成功，有了源源不斷的資金支持迅速佔據領先地位，Intel的x86系統長期壟斷高端處理器市場。後來，AMD和Cyrix也進入生產x86兼容的處理器，成為Intel的競爭對手，Intel為在激烈的市場競爭中甩開對手，需要不斷開發性能更高的晶元，不敢稍有疏忽。一度，還有MIPS和PowerPC架構的處理器，都是基於精簡指令集（RISC，Reduced instruction set computing）的架構，PowerPC是Apple-IBM-Motorola結盟推出的，但在個人計算機領域很少使用，主要用於嵌入式系統中。

個人計算機的出現及競爭中性能的不斷提升，完全改變了計算機市場的格局。小型機消失了，出現了性能及配置高於個人計算機的工作站及伺服器，以Unix系統為主，後來隨著網路技術的廣泛應用，Web伺服器市場有所擴張，主要採用從Unix發展出來的Linux系統。而大型機市場也逐漸衰退，出現了以多處理器及並行計算為主要特徵的超級計算機（supercomputer），用於一些專業計算場合，如天氣預報等。

目前個人計算機仍在發展，已從早期的8位、16位發展到32位、64位系統，並從單核發展到多核處理器，系統時鐘從最早的1MHz發展到現在的3GHz以上，最早只支持幾k位元組內存，現在一般都是幾G。不過，現在的個人計算機已很少有大的技術突破，已不再是電子技術發展的引領者。