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(shù)字計算機。在高速計算機的研究和設計方面做出了系統(tǒng)的創(chuàng)造性成果。解決了數(shù)字信號在大型高速計算機中傳輸?shù)年P鍵問題。設計研制的高速陣列處理機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(shù)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(jīng)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(tài)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(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”課程考試中第一個交卷，并取得了滿分。那時她對張量代數(shù)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(shù)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(jù)，每一個細節(jié)都不能放過。

夏培肅調入電訊網(wǎng)絡研究室的第一個任務是熟悉閔乃大教授的“電訊網(wǎng)絡”講義。由于早年學習過“電信網(wǎng)絡”，后來又接觸了不少深層數(shù)學知識，夏培肅理解講義完全沒有障礙，甚至發(fā)現(xiàn)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(shù)的方法一步一步把結果重新推導了一遍，閔乃大才發(fā)現(xiàn)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(yè)交匯。當時蘇聯(lián)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(yè)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(fā)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(jīng)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(lián)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(zhí)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(jié)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(lián)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(xiàn)出了夏培肅對待工作的態(tài)度與能力，同時也為我國后來研發(fā)大型計算機培養(yǎng)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(shù)字計算機原理”課程。

可是講什么？怎么講？中國并沒有統(tǒng)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(xiàn)在常用在32 位處理器、64 位操作系統(tǒng)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(xiàn)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(chuàng)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(yǎng)我國自己的計算機專業(yè)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(lián)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(lián)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(lián)標準的電子管做基本電路，以此來了解蘇聯(lián)電子管的特性。

當時計算技術研究所按照蘇聯(lián)圖紙復制的103計算機很不穩(wěn)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(xiàn)一次故障。為此，夏培肅設計了一個很穩(wěn)定的觸發(fā)器，不會因為隨意開、關日光燈而造成觸發(fā)器翻轉，為107計算機的穩(wěn)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(yè)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(xiàn)虛焊，為了準確檢測，夏培肅親自動手，提出了單脈沖循環(huán)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(lián)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(fā)現(xiàn)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(tǒng)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(xù)無差錯地工作了20.5 小時，最后是人工停的機。根據(jù)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(wěn)定工作時間比當時仿制蘇聯(lián)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(xù)正確執(zhí)行。

就在研制107計算機期間，中蘇關系達到冰點，蘇聯(lián)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(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，腳踏實地地專注于每個環(huán)節(jié)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(wěn)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(chuàng)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(jù)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(jīng)過不懈努力，終于做出了一個具有雙穩(wěn)態(tài)的微波元件。

然而，在實際運用中，夏培肅與課題組成員發(fā)現(xiàn)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(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。

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(xiàn)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(wěn)態(tài)微波器件的同時，夏培肅注意到了日本學者江崎于1958 年發(fā)明的隧道二極管。隧道二極管的主要優(yōu)點是具有負微分電阻（負阻），能高速工作，因為它是一種多數(shù)載流子器件，不受少數(shù)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(xié)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(shù)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(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(jīng)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?lián)Q代不可能一蹴而就，每一次器件的更新、性能的提高，期間都要進行不計其數(shù)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(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實的奠基人。