真空管被遗忘的对手

在二战期间第二次世界大战期间，德国军方开发了一些当时非常复杂的技术，包括v - 2火箭它曾给伦敦带来毁灭性的打击。然而，V-2和其他许多德国军事硬件一样，依赖于一种你可能从未听说过的晦涩而似乎过时的部件，一种叫做磁放大器或磁放大器的东西。

在美国，磁放大器长期以来被认为是过时的——根据一个消息来源，“太慢，麻烦，效率太低，不能被认真对待”。因此，那个时代的美国军事电子专家对德国人广泛使用这种设备感到困惑，他们最初是在审讯德国战俘时了解到这种设备的。第三帝国的工程师们知道什么躲过了美国人的追捕?

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战后，美国情报官员在德国寻找有用的科学和技术信息。400名专家筛选了数十亿页的文件，并将350万页微缩胶卷运回美国，同时运回的还有近200吨德国工业设备。在这些大量的信息和设备中，有德国磁放大器的秘密:金属合金使这些设备紧凑、高效和可靠。

美国工程师很快就能复制这些合金。因此，20世纪50年代和60年代见证了磁放大器的复兴，在此期间它们被广泛应用于军事、航空航天和其他行业。在完全被晶体管取代之前，它们甚至出现在一些早期的固态数字计算机中。如今，这段历史几乎被遗忘了。这里我要讲一个鲜为人知的关于磁放大器的故事。

放大器，由定义，是一种允许小信号控制大信号的设备。老式的三极管真空管是通过对其栅极施加电压来做到这一点的。一个现代场效应晶体管它是否使用电压施加到它的门。磁放大器是电磁控制的。

为了理解它是如何工作的，首先考虑一个简单的电感器，比如说，一根线圈绕着一根铁棒。这样的电感器往往会阻塞通过导线的交流电。这是因为当电流流动时，线圈会产生交变磁场，集中在铁棒上。这种变化的磁场会在导线中产生电压，从而与最初产生磁场的交流电相反。

如果这样的电感器携带大量电流，磁棒可以达到一种称为饱和的状态，在这种状态下，铁不能比现有的磁化程度更高。当这种情况发生时，电流通过线圈几乎畅通无阻。饱和通常是不可取的，但磁放大器利用这种效果。

从物理上讲，磁放大器是建立在一个很容易饱和的金属材料核心上的，通常是一个环形或方形环，周围缠着一根线。第二根导线也缠绕在磁芯上形成控制绕组。控制绕组包括许多圈的电线，所以通过一个相对小的直流电通过它，铁芯可以被迫进入或退出饱和。

磁放大器就像一个开关:当饱和时，它让主绕组中的交流电流畅通无阻地通过;当不饱和时，它会阻挡电流。放大的发生是因为一个相对较小的直流控制电流可以修改一个大得多的交流负载电流。

磁性放大器的历史始于美国，1901年申请了一些专利。到1916年，大型磁放大器被用于跨大西洋无线电话，这是一项被称为磁放大器的发明Alexanderson交流发电机，为无线电发射机产生大功率、高频交流电。一种磁放大器调制发射机的输出根据要传输的语音信号的强度。

1951年的一份海军训练手册详细地解释了磁放大器——尽管对其历史持一种防御性的态度。

在20世纪20年代，真空管的改进使这种亚历山大交流发电机和磁放大器的组合过时了。这使得磁放大器只能扮演次要的角色，比如剧院里的调光器。

德国后来在磁放大器方面的成功很大程度上取决于先进磁性合金的发展。由这些材料制成的磁放大器在开和关状态之间急剧切换，提供了更好的控制和效率。然而，这些材料对杂质、晶体大小和方向的变化，甚至机械应力都非常敏感。所以他们需要一个严格的制造过程。

性能最好的德国材料是1943年开发的，名为Permenorm 5000-Z。这是一种极其纯净的50 / 50镍铁合金，在部分真空下熔化。然后，这种金属被冷轧成纸一样薄，并缠绕在一种非磁性的形式上。结果就像一卷胶带，由薄的永久金属制成。缠绕后，模块在1100°C的氢气中退火2小时，然后快速冷却。这一过程使金属晶体定向，使它们表现得像一个具有均匀性质的大晶体。只有在这之后，导线才缠绕在核心上。

到1948年，科学家们在美国海军军械实验室在马里兰州，他想出了如何制造这种合金，这种合金很快就被推向市场一家叫做阿诺德工程公司的公司以Deltamax的名义。这种磁性材料在美国的出现，使人们对磁放大器重新燃起了热情，它能忍受极端条件，而且不会像真空管那样烧坏。因此，磁放大器在苛刻的环境中有许多应用，特别是军事、太空和工业控制。

在20世纪50年代，美国军方在自动驾驶仪、火控设备、伺服系统、雷达和声纳设备中使用磁放大器RIM-2梗地对空导弹，以及许多其他角色。一个海军训练手册1951年的一份报告详细地解释了磁放大器——尽管对其历史持一种防御性的态度:“许多工程师的印象是德国人发明了磁放大器;其实这是美国人的发明。德国人只是把我们相对粗糙的设备，提高了效率和响应时间，减轻了重量和体积，扩大了应用领域，然后把它还给了我们。”

由于磁放大器的可靠性，美国太空计划也广泛使用了磁放大器。例如，红石火箭1961年，该公司将艾伦·谢泼德(Alan Shepard)送入太空。在上世纪六七十年代的阿波罗登月计划中，磁性放大器控制了电源和风扇。那个时代的卫星使用磁放大器进行信号调理、电流感应和限制以及遥测。甚至航天飞机也使用磁性放大器来减弱荧光灯的亮度。

磁放大器也被用于红石火箭，就像这里展示的宇航员约翰·格伦，维吉尔·格里森和艾伦·谢泼德身后的那个。环球图像集团/盖蒂图片社

磁性放大器在工业控制和自动化中也被大量使用，许多含有它的产品以通用电气(General Electric)等品牌的名义销售Amplistat， CGS实验室Increductor西屋电气的Cypak(控制程序包)，以及Librascope的Unidec(通用决策元素)。

磁性材料二战期间在德国发展起来的计算机对战后计算机产业的影响是最大的。在20世纪40年代末，研究人员立即认识到这种新型磁性材料存储数据的能力。圆形磁芯可以逆时针或顺时针磁化，存储0或1。有被称为矩形迟滞Loop确保材料在电源被移除后仍能在这些状态之一中保持牢固磁化。

研究人员很快就用密集的磁芯网格构造出了所谓的核心存储器。这些技术人员很快就从使用缠绕金属芯转向使用铁氧体(一种含有氧化铁的陶瓷材料)制成的芯。到20世纪60年代中期，铁氧体铁芯被淘汰了数十亿个，因为制造成本下降到每个铁芯不到一美分。

但是磁芯存储器并不是磁性材料对早期数字计算机产生影响的唯一地方。从20世纪40年代开始，第一代计算机使用真空管进行计算。20世纪50年代末，基于晶体管的第二代计算机取代了这些计算机，随后是基于集成电路的第三代计算机。

晶体管并不是早期计算机的明显赢家，许多其他替代品被开发出来，包括磁放大器。

但事实上，计算技术的进步并不是线性的。早期的晶体管并不是一个明显的赢家，许多其他替代品被开发出来。磁放大器是几代人之间被遗忘的计算技术之一。

这是因为20世纪50年代初的研究人员意识到，磁芯不仅可以保存数据，还可以执行逻辑功能。通过在一个核心上放置多个线圈，输入可以被组合。例如，相反方向的线圈可以抑制其他输入。复杂的逻辑电路可以通过将这些核心以不同的方式连接在一起来实现。

1956年，斯佩里兰德公司研制了一种高速磁放大器铁氧体磁放大器能够以几兆赫的频率工作。每一个Ferractor都是用1 / 8密耳(约3微米)的Permalloy胶带缠绕在0.1英寸(2.5毫米)的非磁性不锈钢筒管上制成的。

Ferractor的性能是由于这种胶带非常薄，加上线轴的微小尺寸。斯佩里·兰德在一台名为Univac磁计算机的军用计算机中使用了Ferractor，也被称为空军剑桥研究中心(AFCRC)计算机。这台机器包含1500个铁氧体和9000个锗二极管，以及一些晶体管和真空管。

斯佩里·兰德后来在AFCRC计算机的基础上创建了商业计算机:theUnivac固态(在欧洲被称为Univac计算制表器)，其次是更便宜的STEP(简单过渡电子处理)计算机。尽管Univac固态机并没有完全名符其实——处理器使用了20根真空管——但它还是相当受欢迎，卖出了数百根。

斯佩里·兰德公司的另一个部门制造了一种名为鲍嘉帮助美国国家安全局破解密码。的粉丝卡萨布兰卡和基拉会不会失望地得知，这款电脑是以著名的名字命名的《纽约太阳报》编辑约翰·鲍嘉。这台相对较小的计算机之所以获得这个名字，是因为它在国家安全局的大型计算机处理加密数据之前对其进行了编辑。

1957年至1959年间，美国国家安全局收到了五台鲍嘉电脑。他们采用了一种新颖的磁放大电路西摩克雷他后来创造了著名的克雷超级计算机。据报道，克雷拥有数十项专利最引以为傲的是他的磁放大器设计．

不过，基于磁放大器的计算机并不总是运行得那么好。例如，在20世纪50年代初，瑞典亿万富翁实业家阿克塞尔Wenner-Gren创造了一系列真空管计算机，称为ALWAC(阿克塞尔l温纳-格伦自动计算机)。1956年，他告诉美国联邦储备委员会，他可以在15个月内推出磁放大器版本ALWAC 800。在联邦储备委员会支付了231800美元之后，计算机的开发遇到了工程上的困难，项目以彻底的失败告终。

当然，20世纪50年代晶体管的进步导致了使用磁放大器的计算机的衰落。但有一段时间，人们并不清楚哪种技术更先进。例如，在20世纪50年代中期，斯佩里·兰德(Sperry Rand)正在争论用于电子设备的磁放大器和晶体管雅典娜，一台24位计算机来控制泰坦核导弹．克雷制造了两台相当的计算机来对这两种技术进行正面比较:Magstec(磁开关测试计算机)使用磁放大器，而Transtec(晶体管测试计算机)使用晶体管。尽管Magstec的表现稍好一些，但很明显，晶体管是未来的潮流。因此，斯佩里·兰德用晶体管制造了Univac雅典娜计算机，将磁放大器下放到计算机电源内部的次要功能中。

在欧洲也是如此，晶体管正在与磁放大器决一雌雄。例如，工程师在Ferranti，在英国，发展出磁性-计算机的放大电路。但是他们发现晶体管提供了更可靠的放大，所以他们用变压器和晶体管一起取代了磁放大器。他们称这种电路为神经元因为如果输入超过阈值，它就会产生输出，类似于生物神经元。神经元成为弗兰蒂公司天狼星和猎户座商用计算机的核心。

另一个例子是1958年的波兰EMAL-2计算机，它使用了磁芯逻辑和100个真空管。这台34位计算机是波兰第一台真正高效的数字计算机。它结构紧凑，但速度较慢，每秒只能执行150次左右的操作。

在苏联，是15位的LEM-1电脑从1954年开始使用了3000个铁氧体逻辑元件(以及16,000个硒二极管)。它可以每秒进行1200次加法。

在法国，磁放大器被用于出租车500(Calculatrice Arithmétique Binaire 500)， 1960年由一家名为Société d 'Electronique et d 'Automatisme (SEA)的公司出售，用于科学和技术用途。这台32位书桌大小的计算机使用了一种名为Symmag的磁性逻辑元件，以及晶体管和真空管电源。CAB 500可以用Fortran、Algol或SEA自己的语言PAF (formula programming Automatique des formula)编程，也可以用作台式计算器。

这个时代的一些计算机使用复杂形状的多孔径核心来实现逻辑功能。1959年，贝尔实验室的工程师们发明了一种梯形磁性元件拉蒂克多孔磁心的它通过围绕不同的“梯级”发送信号来实现逻辑功能。这种装置后来被用于一些核反应堆的安全系统。

另一种方法叫做双轴逻辑元件-在两个轴上有孔的铁氧体立方体。另一个被称为多孔磁心它有两个圆形的开口。1961年左右，斯坦福研究所的工程师们建造了全磁逻辑计算机为美国空军使用这种多口径磁性装置。道格·恩格尔巴特他后来发明了鼠标和大部分现代计算机用户界面，并因此而闻名，他是这款计算机的关键工程师。

当时的一些计算机将晶体管与磁芯结合使用。这个想法是为了尽量减少当时昂贵的晶体管的数量。这种方法被称为核心晶体管逻辑(CTL)，曾在英国使用艾略特803计算机，1959年推出的一个小系统，字长39位。的Burroughs D2101960年的磁计算机是一种为航空航天应用设计的仅重35磅(约16公斤)的小型计算机，也使用了核晶体管逻辑。

核心-晶体管逻辑在空间应用中特别流行。一家名为Di/An Controls的公司生产了一系列逻辑电路，并声称“大多数太空飞行器都装有这种电路”。该公司的Pico-Bit是一款具有竞争力的核心-晶体管-逻辑产品，在1964年的广告中被称为“太空中最好的一点”。NASA的早期原型阿波罗制导计算机但在1962年，麻省理工学院的设计师冒险地转向集成电路。

甚至一些“全晶体管化”的计算机也到处使用磁放大器。麻省理工学院TX-21958年的公司用它们来控制磁带驱动器电机，而IBM 70901959年推出的IBM和广受欢迎的IBMSystem / 3601964年推出的大型机使用磁放大器来调节电源。控制数据公司160年小型计算机1960年的公司在其控制台打字机中使用了磁放大器。磁放大器对于逻辑电路来说太慢了Univac表面1960年的超级计算机，但它们被用来驱动核心内存。

在20世纪50年代，美国海军的工程师称磁放大器是“一颗冉冉升起的新星”，是“战后电子学的奇迹”之一。直到1957年，400多名工程师参加了一个关于磁放大器的会议。但在20世纪60年代，晶体管和其他半导体取代了半导体，人们对这些器件的兴趣逐渐下降。

然而，在所有人都认为这些设备注定要成为历史的尘埃堆之后很久，磁放大器找到了一个新的应用。在20世纪90年代中期，ATX标准的个人电脑需要一个严格调节的3.3伏电源。事实证明，磁放大器是一种廉价而有效的控制电压的方法，使磁放大器成为大多数PC电源的关键部分。和以前一样，磁放大器的复兴并没有持续多久:在现代电源中，DC-DC稳压器在很大程度上取代了磁放大器。

总而言之，磁性放大器的历史跨越了大约一个世纪，它们变得流行，然后消失了多次。你很难在今天生产的电子硬件中找到磁放大器，但也许一些新的应用——比如量子计算、风力涡轮机或电动汽车——会再次为它们注入活力。