Parametron：50年代的日本计算机，既不使用晶体管也不使用真空管

# 里程碑：参变管，1954年 - 工程与技术历史维基 来源：https://ethw.org/Milestones:Parametron,_1954 日期：2025年11月27日 编号 #291 地点：日本东京 IEEE Region 10（https://ethw.org/IEEE_Region_10_(Asia_%26_Pacific)_History） IEEE 东京分会（https://ethw.org/IEEE_Tokyo_Section_History） 成就时间范围：1954年 ## 名称 参变管，1954年 ## 引用 参变管是一种使用铁氧体磁芯和参量振荡的逻辑元件，由后藤英一于1954年在东京大学发明。4200个参变管被用于PC-1，这是日本第一台由大学建造的存储程序计算机，并于1958年成为当时日本最快的计算机。参变管的低成本和电稳定性塑造了日本早期的计算机发展和科学研究，并培育了日本第一代计算机工程师。 ## 里程碑牌匾地点的街道地址和GPS坐标 东京大学理学系1号楼1楼（地面层）科学画廊。 地址：日本东京都文京区本乡7-3-1，邮编113-0033。 GPS坐标：35.7137465,139.7608399 ## 牌匾具体位置详情 牌匾放置在所谓的“科学画廊”的墙上，那里陈列着许多与科学相关的展示品。参见：https://www.s.u-tokyo.ac.jp/en/gallery/ ## 牌匾地点的保护/安保情况 游客无需安检即可进入科学画廊。 ## 工作的历史意义 ## 名称列入引用的理由 ### 后藤英一：参变管技术与早期计算机的先驱 后藤英一（1931–2005），日本科学家，1954年作为研究生发明了参变管，并领导开发了PC-1——日本大学中第一台使用该技术的完全可编程存储程序计算机，于1958年完成。他的创新推动了日本战后计算机产业的发展，在技术复苏的关键时期增强了科学研究能力和工业能力。 ### 参变管的发明 1954年，后藤英一发明了参变管，这是一种利用两个铁氧体磁芯的非线性参量振荡的逻辑器件 [9, 16, P1–P2]。与当时普遍使用的真空管和早期晶体管电路不同，参变管具有卓越的稳定性，与寿命短暂的真空管相比维护需求极低，且成本远低于真空管和新生的晶体管。其简单性和可靠性使其成为计算机设计的理想基础。早期应用表明，它比竞争技术（如寿命相对较短的真空管、缓慢的机电继电器和不稳定的点接触晶体管）具有更强的容错能力。出于在东京大学高桥实验室有限预算内建造电子计算机的愿望，后藤和他的导师高桥详尽地探索了负担得起的解决方案；参变管因此成为一项突破，为日本战后的计算发展奠定了关键基础。 ### PC-1参变管计算机的开发 1957年，后藤英一领导开发了PC-1，这是一台由4200个参变管驱动的开创性完全可编程存储程序计算机 [4–9, 11]。PC-1于1958年3月26日开始运行。作为战后日本计算技术的重大进步，PC-1在稳定性上超越了新兴的晶体管系统，并拥有精心设计的指令集，该指令集是后藤、高桥和团队其他成员通过研究EDSAC等机器而创建的（[12]《The Preparation of Programs for an Electronic Digital Computer》，M. V. Wilkes等，1951年）。参变管固有的稳定性和多输入能力使得可靠、简单的逻辑电路设计成为可能，例如利用进位选择机制的快速算术电路，它可以在O(log(N))个逻辑步骤或时间内处理进位传播（其中N为位长），并利用了多数逻辑；1959年还实现了中断功能——这是同类功能中最早的之一——促进了主程序与I/O处理之间的多任务处理。与当时复杂且维护密集的真空管计算机不同（真空管与其他电路元件相比寿命相对较短，因此持续运行每天需要更换若干真空管），PC-1以更少的元件、低功耗和卓越的容错性实现了高可靠性，确保了在大学实验室环境中的持续运行。 0016 09 l.jpg（https://ethw.org/File:0016_09_l.jpg） 照片1 后藤英一与PC-1参变管计算机（来源：信息处理学会） 0016 12 I.jpg（https://ethw.org/File:0016_12_I.jpg） 照片2 后藤英一调整参变管计算机PC-1的存储部分（来源：信息处理学会） PC-1自1958年3月投入运行后，被许多科研人员使用。它对日本计算机产业和科学界产生了深远影响。PC-1的详细信息，特别是软件方面，在2008年举办的参变管纪念讲座中，由和田英一在纪念PC-1运行50周年的讲义资料中作了详尽描述 [11]。PC-1上的程序库和计算内容汇总于附录II。 ### 参变管技术与后藤成就的影响 后藤英一在日本会议上首次发表后，参变管的 affordability、最低限度维护和运行稳定性迅速引起了日本产业界的关注。商业实体很快采用了这项技术，开发并销售基于参变管的计算机和计算器（示例见附录I）。当时有些型号售出了700台以上。在真空管因固有短寿命而需要频繁维护、早期晶体管既昂贵又不可靠的时代，参变管填补了一个关键空白，为后藤赢得了1961年著名的IRE Browder J. Thompson纪念奖 [A1]，以表彰他的开创性论文《参变管，一种利用参量振荡的数字计算元件》（Proc. IRE，1959年8月）。该奖项凸显了这项技术对产业界和学术界留下的深刻印象，巩固了后藤作为富有远见的创新者的声誉。在日本，他于1959年获得了著名的朝日奖。这是为了表彰他对PC-1的贡献。[A2] 朝日奖（Asahi Shō）设立于1929年，由日本报纸《朝日新闻》和朝日新闻基金会颁发，旨在表彰在艺术和学术领域取得杰出成就并为日本文化和社会整体发展与进步作出重大贡献的个人和团体。（来自维基百科，https://en.wikipedia.org/wiki/Asahi_Prize）。 ### 结论 参变管深刻塑造了日本战后的计算机产业，其影响通过美国专利（美国专利2,948,818和2,948,819）扩展到国际。作为其唯一发明人，后藤英一在其标志性的IRE论文中阐明了其原理，并领导东京大学高桥实验室团队创造了PC-1。鉴于他在这一持久技术成就中的关键作用，后藤的名字应当被列入IEEE里程碑引用中，以纪念他在计算史上留下的持久遗产。 ## 历史意义 ### 背景 参变管是一种利用参量激励现象的逻辑元件，借助铁氧体磁芯的非线性磁响应工作。它于1954年由后藤英一发明，当时他是东京大学理学研究科的研究生。在20世纪50年代，计算机尚处于起步阶段，在日本构建一个触发器，真空管约需1000日元，晶体管则需数千日元。当时，点接触晶体管不可靠且不稳定。最早的结型晶体管与点接触晶体管并存，但速度较慢，因此尽管点接触型不稳定，计算机仍使用点接触型。在后藤学习所在的东京大学高桥实验室，人们对计算装置有浓厚的兴趣。各种设备，例如使用电话交换机旋转开关的计算机和使用十进计数管（decatron）的十进制计算机，都经过了检验和手动模拟。（关于信息存储设备的早期研究 [1] 和 [2] 见附录IV，以便概览参变管发明之前所进行的理论性和实验性研究的类型。）后藤英一的物理学和应用数学知识在这一时期极为宝贵。人们考虑了使用每个仅需5日元的铁氧体磁芯 [3]，从而产生了利用参量激励现象的概念。因此，该元件被命名为参变管。 #### 廉价的铁氧体磁芯 当时（1954年之前），一根真空管要1000日元，一个晶体管要8000日元。一个铁氧体磁芯只要5日元。后藤在杂志采访（日语）中提到了价格情况，引用如下。以下是提交者提供的英文翻译，摘自该日语采访：https://ascii.jp/elem/000/001/221/1221954/2/ ——您为什么创造参变管？ 当时，日本还没有计算机。*1 所以我们决定在东京大学的高桥实验室制造一台。但是大学的研究预算不够。当时，一根真空管要1000日元，一个晶体管要8000日元。而且真空管磨损很快。晶体管仍然不稳定。相比之下，长期以来在无线电电路构建等中熟悉的铁氧体磁芯，只要5日元一个。所以我想，为什么不用铁氧体磁芯作为材料呢？铁氧体磁芯是稳定的材料，而且因为是陶瓷做的，只要第一次做对了就不会坏。之所以命名为“参变管”，是因为它利用了参量激励原理。 *1 日本第一台真空管存储程序计算机于1956年建成（FUJIC）。https://museum.ipsj.or.jp/en/computer/dawn/0010.html 关于FUJIC的速度比较详见附录V。日本第一台晶体管存储程序计算机也于1956年建成（ETL Mark III）：https://museum.ipsj.or.jp/en/computer/dawn/0011.html UNIVAC 120是1955年安装在日本的第一个商用电子计算机：https://museum.ipsj.or.jp/heritage/UNIVAC120.html 所以，正如后藤所说，1954年之前“日本没有电子计算机”。 注意：提交者认为后藤回忆的1000日元是一个大致数字。但两个数量级的差异（200倍）足以显示使用铁氧体磁芯的成本优势。 一个典型的单个参变管逻辑元件使用三个磁芯（增加一个较大的磁芯用于合并来自多个源的输入线信号）、一个电容器和一个电阻器。将三个这样的单元组合起来，形成一个将逻辑信号传递给下一个参变管单元的电路元件。这样的组合价格也达不到一根真空管的价格。而且真空管电路还需要电容器和电阻器。主要元件1000日元与5日元的差距是巨大的。高桥回忆说，组装后的参变管元件售价为500日元。他指出，用真空管制成的类似逻辑元件装置价格会超过10000日元，而用晶体管制成的类似装置对于大学实验室来说过于昂贵而难以处理（见[13]《电子计算机的诞生》，第62页）。真空管和晶体管很贵，铁氧体磁芯则极其便宜，这是后藤和其他人的看法。 ### 参变管的结构与原理 两个环形铁氧体磁芯上各绕有相同匝数的导线。需要两个磁芯。两个磁芯上的导线匝数配置方向相反，即激励电流和振荡电流在两个磁芯中的绕向相反。这是为了隔离初级和次级部分：例如，它抵消了改变磁芯磁性能的直流偏置。通过反向绕制，直流不会到达振荡部分。注意：这种反向绕制在随手阅读图片时很难辨认，但本文引用的所有图片都试图使用各种视觉线索来强调这一点，但仍然很细微，容易错过。 Parametron device.jpg（https://ethw.org/File:Parametron_device.jpg） 图1 参变管（来源：信息处理学会） 说明：左右垂直粗线上可见磁芯（外部激励电流线），细线是信号线。当由铁氧体磁芯和并联电容器组成的电路的谐振频率为f/2时，我们向铁氧体磁芯施加频率为f的外部振荡。这些铁氧体磁芯串联连接。连接一个电容器以形成谐振电路。一根激励线穿过磁芯的孔，当交流电（准确地说，是改变磁芯电感量的直流电和交流电的组合）流过时，铁氧体磁芯的磁性使谐振电路因参量激励而产生振荡。直流电和交流电可以使用单独的导线，尽管本文档中的大多数图形和图解似乎使用一根导线。频率为原始外部振动一半的振荡被放大并观察到。在后藤的参变管中，可以通过将逻辑状态0和1与感应振荡的相位差关联来存储信息。存在两种振荡模式，其相位正好相差π。（因此参变管具有保持一位信息的固有能力。） 参量振荡可以在许多系统中找到。例如，要移动公园里的秋千，我们就使用参量振荡。用于悬挂秋千座板的绳索或链条的长度，更准确地说，是身体加上座板材料的质心与悬挂秋千的横杆之间的距离，是振荡的一个参数。通过上下移动我们的位置，我们可以改变质心的距离，从而改变振荡参数。在秋千向一个方向摆动期间上下移动身体一次（这意味着在完整来回摆动一次的过程中，我们要上下移动身体两次），就可以激发秋千的固有频率。激励频率（身体运动）是秋千摆动频率的两倍。 0016 02 l.jpg（https://ethw.org/File:0016_02_l.jpg） [备注] 照片中包含一根火柴棍以比较大小。 照片3 PC-1计算机中的参变管（来源：信息处理学会） 如上所述，除了稳定到两个截然不同状态的性质外，参变管还表现出放大效应，即激励期间的初始状态差异决定了最终的相位结果。这用于使用多数逻辑进行逻辑运算。从一个参变管到另一个即将开始新振荡的参变管的输出，可以通过多数逻辑（即信号的模拟相加）来决定0/1状态（最终稳定振荡中的相位差）。对于利用振荡相位