夏培肅甘做中國計算機基石

夏培肅

甘做中國計算機基石

夏培肅（1923 年7 月—2014 年8 月），計算機專家和教育家，中國科學院院士。試制成功中國第一臺自行設計的通用電子數字計算機。在高速計算機的研究和設計方面做出了系統的創造性成果。解決了數字信號在大型高速計算機中傳輸的關鍵問題。設計研制的高速陣列處理機使石油勘探中的常規地震資料處理速度提高10倍以上，提出了最大時間差流水線設計原則，設計研制成功多臺不同類型的并行計算機。

研核是非 巨細無遺

夏培肅的數理基礎非常扎實，慣于條理清晰、邏輯嚴密的論證。這些都與她的求學經歷有關。

夏培肅上大學時，有一門基礎課程叫“電工原理”，聽課的人很多，由于女生宿舍離教室很遠，她趕到時常常沒有座位，只能站在教室后面聽課。期末考試的時候，她雖然及格了，但是自己對這種似懂非懂的狀態很不滿意，于是下定決心重學一遍。在重修課程的那段時間里，她放棄吃早飯，早早去教室搶座位，堅持了一個學期。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，后續的專業課程夏培肅再也不覺得難了。研究生期間，她在“電信網絡”課程考試中第一個交卷，并取得了滿分。那時她對張量代數特別感興趣，于是寫了一篇《電路的張量分析》報告交給張鐘俊教授。不料張教授看完后給她一一指出不足，認為她的某些論斷不夠嚴謹，數學基礎不扎實，理論上也還需要再提高一點。

這件事對夏培肅的影響很深，她開始懂得做科研工作不能想當然，需要非常嚴謹，每一句話都要有根據，每一個細節都不能放過。

夏培肅調入電訊網絡研究室的第一個任務是熟悉閔乃大教授的“電訊網絡”講義。由于早年學習過“電信網絡”，后來又接觸了不少深層數學知識，夏培肅理解講義完全沒有障礙，甚至發現了一個隱蔽的小錯誤。剛開始閔乃大不認為是錯，他們倆在辦公室的黑板上爭論了幾次，都沒有結果。夏培肅就一絲不茍地用復變函數的方法一步一步把結果重新推導了一遍，閔乃大才發現了錯誤，也由此對她刮目相看。

1952 年的秋天，夏培肅在華羅庚先生的家中表達了愿意搞電子計算機的想法，她的人生從此與中國計算機事業交匯。當時蘇聯的計算機技術遙遙領先，而我國在這個領域還是一片空白。

由于計算機是一門新興的學科，許多專業名詞都是英文和俄文的。當時，國內沒有人懂計算機。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于計算機的文章，并委托在國外的同學郵寄一些英文的計算機書籍，廣泛閱讀，以此來啟發思路。

1956 年，國家派出了一個計算機技術赴蘇考察團，計劃考察回國之后就著手仿制M-20機。夏培肅也是其中一員，她被分到通用計算機研究室學習M-20機的總體設計和運算控制器。經過深入學習，夏培肅對M-20機有了清晰的認識。

M-20是三地址指令計算機，但實際運算中很多指令并不需要3 個地址。夏培肅并沒有盲目地仿制蘇聯技術，她結合自己所學，把M-20修改為一地址指令計算機，增加了一些指令，并重新設計了每條指令的執行過程。詳細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節指示，可以直接畫出邏輯圖來。

夏培肅在整個過程中事無巨細、極其周到。后來蘇聯在調試M-20機的時候不順利，我國也就放棄了仿制M-20機的想法。盡管如此，這一次對M-20機的改進，展現出了夏培肅對待工作的態度與能力，同時也為我國后來研發大型計算機培養了幾位設計人才。

細致入微 嚴謹制造

1956—1962 年，清華大學、中國科學技術大學等高等學校合作承辦了4 屆計算機訓練班，夏培肅主講“電子數字計算機原理”課程。

可是講什么？怎么講？中國并沒有統一的計算機原理教材。要想彌補人才稀缺的短板，在教育這一塊必須打好堅實的基礎。于是，夏培肅開始著手編寫計算機原理講義。她在為一些術語定名時字斟句酌，力求將每個名詞概念準確翻譯和表達。這樣反復推敲后得來的很多意譯沿用至今，如英文bit，中國臺灣學者譯為“元”，夏培肅譯成“位”，現在常用在32 位處理器、64 位操作系統等術語中；英文memory，中國臺灣學者譯為“記憶體”，夏培肅譯成“存儲器”，現在常用在內存、緩存等術語中。這套《電子計算機原理》講義，是我國第一套關于計算機原理方面的原創教材。

1959 年，計算技術研究所的領導將計算機教研組改名為107計算機研究組，由夏培肅負責。其實夏培肅很早就開始了107計算機的設計，但為了培養我國自己的計算機專業人才，夏培肅承擔起了計算機訓練班這項艱巨而光榮的任務，暫緩了107計算機的設計。

夏培肅從大學開始，做的電路實驗所用的電子管型號和特性都是美國標準的，但北京電子管廠在蘇聯的幫助下建成投產之后，所生產的電子管型號和特性都是蘇聯標準的。電子管雖然小，卻是制造計算機最基礎的元件，型號不合是萬萬不能的。于是夏培肅讓訓練班的全體學員都用蘇聯標準的電子管做基本電路，以此來了解蘇聯電子管的特性。

當時計算技術研究所按照蘇聯圖紙復制的103計算機很不穩定，打開或關上機房的日光燈都會產生電磁波干擾，每隔半小時左右就要出現一次故障。為此，夏培肅設計了一個很穩定的觸發器，不會因為隨意開、關日光燈而造成觸發器翻轉，為107計算機的穩定運行奠定了基礎。

在107計算機加工前，夏培肅讓在實驗室做畢業設計的學生對機器所用的電容和電阻進行了嚴格的篩選和測試。當時的人工焊接很容易出現虛焊，為了準確檢測，夏培肅親自動手，提出了單脈沖循環的檢查方法（產生一個單脈沖在需要測試的器件和焊點所形成的回路中運行，如果運行不間斷，說明一切正常；如果運行停止，則說明回路中的器件或焊點有問題），來確保萬無一失。

到調試階段，夏培肅又編制了計算機電路、插件、部件和全機聯調的調試手冊，將先做什么，后做什么，每一步都寫得清清楚楚。在調運算器時，為了找出除法調不出來的原因，她花了一個通宵，發現了設計時的疏忽——除法器中有一個信號沒有和時鐘脈沖對齊，并很快修改解決了它。

1960 年年初，107計算機搬遷到位于北京玉泉路的中國科學技術大學。由于房間緊張，107計算機被安置在一間沒有通風系統的大教室里，只有窗戶上的排風扇和教室里的幾臺電風扇來為電子管散熱。在這樣的情況下，107計算機仍然能正常工作。

同年4 月，107計算機連續無差錯地工作了20.5 小時，最后是人工停的機。根據美國公布的資料，馮·諾伊曼設計的EDVAC于1951 年研制成功，到1960 年才能達到每天超過20 小時的生產性運行，平均無差錯工作時間為8 小時。107計算機的穩定工作時間比當時仿制蘇聯的103計算機無差錯工作時間長幾十倍。直到1962 年，有專家對107計算機做技術鑒定，在機器運行程序的過程中突然斷電，再合閘后原本運行的程序仍然能繼續正確執行。

就在研制107計算機期間，中蘇關系達到冰點，蘇聯終止了對中國所有的技術援助，國際上不少人認為中國的計算機事業發展將止步于此。但夏培肅沒有退縮，她不在意外界的變化，腳踏實地地專注于每個環節的研制，最終，造出了我國第一臺自主設計的電子計算機——107計算機。

大膽設想 小心求證

夏培肅對待工作力求穩妥，可這并不意味著按部就班的一味謹慎。面對未知，她也會大膽地提出假設，并且認真求證，以保證最后的結論是真實可靠的。

20 世紀50 年代，國內外計算機所用的電子器件幾乎都是電子管。然而隨著時間的推移，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。這些缺點使得新型器件的研究迫在眉睫。計算技術研究所的閻沛霖所長認為夏培肅適合做開創性的工作，于是讓她負責預研組，去開展計算機新型器件的研究。

作為一個試探性的研究，預研承載著大家的希望。1960 年前后，美國人Sterzr提出了微波分諧波技術，以此得到的微波頻率可以達到千兆赫，比電子管計算機的時鐘頻率高了近百萬倍。據報道，日本曾做成過一臺這樣的計算機，這讓夏培肅看到了希望。她迅速安排人員進行微波分諧波振蕩器的實驗。經過不懈努力，終于做出了一個具有雙穩態的微波元件。

然而，在實際運用中，夏培肅與課題組成員發現用微波元件做計算機有四大困難：一是元器件體積過大，每個器件必須輸入一個泵頻；二是構成邏輯電路不方便，如何實現基本邏輯，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。

深思熟慮之后，夏培肅向閻沛霖所長匯報微波元件的進展情況，如實說明了主要問題。她坦言，微波計算機在當時是無法實現的。最終，微波計算機的課題在1965 年上半年正式結束。

在研制雙穩態微波器件的同時，夏培肅注意到了日本學者江崎于1958 年發明的隧道二極管。隧道二極管的主要優點是具有負微分電阻（負阻），能高速工作，因為它是一種多數載流子器件，不受少數載流子存儲影響。它的開關時間可以達到1 毫微秒，當時的晶體管開關時間尚且在微秒級。這對一心想做高速計算機的夏培肅來說，無疑是具有吸引力的。

為了開展隧道二極管的預研，她親自去南京的一個半導體所協商，解決了器件的來源問題。接著又開設了一門“隧道二極管電路原理及變參數振蕩原理”課程，來幫助預研組的人員了解其電路的工作原理。1965 年，匯總了預研組3 項研究成果的《隧道二極管在快速計算機線路中的應用》在全國第四屆計算機學術會議上發表。

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載能力差，帶不動很多負載，而在計算機中，有時負載是很重的；而且隧道二極管的器件重復性較差，不便于集成電路的大批量生產。經過種種權衡，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算機的主流器件。

計算機的更新換代不可能一蹴而就，每一次器件的更新、性能的提高，期間都要進行不計其數的試錯。這個過程不允許任何夸大，要求處處精細，設計者必須求實求真，每一步都嚴格把關，才能將新器件在實踐中運用到計算機上。

夏培肅的一生，對待任何工作都認真嚴謹、一絲不茍。早年在計算機訓練班和中國科學技術大學講課時，所講內容雖已講過多次，但在講課前，她仍會像第一次講課那樣認真準備，而且每次都要增加新內容。1997 年，夏培肅在第94 次香山科學會議上作了主題評述報告，受到與會者的高度評價。為了這不到一小時的報告，夏培肅用了整整兩個多月的時間，查閱了大量文獻，親自制作每一張幻燈片。直到會議前兩天，還在對報告內容進行修改。

李國杰院士曾說：“在我的印象中，夏先生最大的特點就是嚴謹。她曾主持編寫《英漢計算機辭典》，負責《計算機科學技術百科全書》體系結構分支的編審定稿，對每一個字、每一個標點符號都仔仔細細地審閱校對，以至于影響了身體健康。90 歲高齡時，她還在計算機上一字一句地修改為《20 世紀中國知名科學家學術成就概覽》寫的傳記，她為自己審定的成就概覽沒有一句浮夸之辭。”

夏培肅面對諸多宣傳時一再強調：“不要宣傳我個人，都是大家的功勞。”中國計算機事業的發展，確有無數人殫精竭慮、勇往直前，但夏培肅，無疑是這座豐碑最堅實的奠基人。