林肯实验室演义第12回：披荆斩棘寻出路，峰回路转现良机

上回说到，乔治-瓦雷牵头的防空系统工程委员会（ADSEC）准备利用通讯线缆大量较小的雷达站连接起来，然后把信息集中交由自动系统来处理，以提高对低空突防飞机的检测能力。

这样的想法别说在50年代初，就是在现在也有很大的挑战性。从广度上来说，其覆盖整个北美大陆范围的防空作战单元；从深度上来说其上至最高指挥机关，下至基层作战单位，集指挥、通信、情报于一身，并且要在如此宽广的范围、如此众多的系统内实现作战信息的获取、传递、处理和利用，在当时电子技术并不发达的情况下，的确困难重重。在这样情况下，ADSEC顶住压力，经过几轮的碰头讨论，将问题又分解为两个核心技术问题。

第一，为了对大量的雷达信号进行综合处理，需要将分布在各点位的雷达数据通过某种方法传送到战情中心的计算机处，然后由中心计算机来汇总处理这些数据信息。--这是首先需要解决数据传输的问题。

第二，为了及时检测和截获敌对飞机，需要战情中心计算机具有实时处理的能力。这是整个系统的核心问题。

我们知道在雷达网中，各个雷达站获取的信息向战情中心传递，由后者进行再处理，基本上对雷达信息的处理分为三个阶段：

一次处理：对雷达站单个扫描周期内的信息进行处理，主要包括确定目标的存在，录取目标的坐标和其他参数包括；大小、架数、发现时间并对其进行编号；

二次处理：对单个雷达站几次扫描周期内的信息进行处理包括目标识别，确定信号是不是同一个目标，并且建立目标航迹、计算并储存运动参数，并推测目标的未来的运动状况。以上两次都是在雷达站进行。

最后由战情中心进行综合处理：即对不同雷达站的信息进行处理，由于各个雷达站的位置不同，因此前两次处理都是建立在各雷达站自己的坐标系统内进行的，这些信息汇总到战情中心时并不能直接使用，需要进行综合处理，即将目标的坐标和运动参数统一于一个坐标系和计时系统，剔除重复目标，一个目标可能被几个雷达站同时探测到，所以战情中心需要根据目标的参数将同一个目标的重复的信息剔除，然后对所有的目标计算运动参数，建立统一的航迹，进行统一的跟踪和处理。这些数据的处理是非常消耗计算资源的。

如果在再加上对多批目标的检测要求，那么这些目标产生的信息更加海量，因此高速、可靠地的计算机是整个防空系统的关键所在。

为此，瓦雷首先向当时几家计算机制造商询问了用他们目前的机器来实现他的想法的可能性。结果他碰了一鼻子灰。因为，在1950年，实时计算操作几乎是不可想象的。就像现在的人对不能实时计算的计算机是不可想象的一样。

这里要插叙一下，早期计算机的情况。

在第二次世界大战中，敌对双方都使用了飞机和火炮，猛烈轰炸对方军事目标。要想打得准，必须精确计算并绘制出"射击图表"。经查表确定炮口的角度，才能使射出去的炮弹正中飞行目标。但是，每一个数都要做几千次的四则运算才能得出来，十几个人用手摇机械计算机算几个月，才能完成一份"图表"。针对这种情况，人们开始研究把电子管作为"电子开关"来提高计算机的运算速度。

图1 电子管

（一段趣事：说起电子管的发明，首先得从“爱迪生效应”谈起。爱迪生这位举世闻名的大发明家，在研究白炽灯的寿命时，在灯泡的碳丝附近焊上一小块金属片。结果，他发现了一个奇怪的现象：金属片虽然没有与灯丝接触，但如果在它们之间加上电压，灯丝就会产生一股电流，趋向附近的金属片。这股神秘的电流是从哪里来的？爱迪生也无法解释，但他不失时机地将这一发明注册了专利，并称之为“爱迪生效应”。后来，有人证明电流的产生是因为炽热的金属能向周围发射电子造成的。而英国物理学家和电气工程师弗莱明成为最先预见到这一效应具有实用价值的人。）

 1946年，美国陆军军械部阿伯丁弹道研究实验室委托宾夕法尼亚大学电工系的莫利奇和艾克特，研制出了一台用于炮弹弹道轨迹计算的“电子数值积分和计算器“(Electronic Numerical Integratorand Calculator简称ENIAC，埃尼阿克)。

这台计算机占地面积170平方米，总重量30吨，使用了18000只电子管，6000个开关，7000只电阻，10000只电容，50万条线，耗电量140千瓦，但能力仅可进行5000次加法/秒运算。

图2 ENIAC计算机

简单对比一下，我们的国防科技大学在2014年成功研制的“天河二号”超级计算机系统的峰值计算速度达到了每秒5.49亿亿次，持续计算速度为每秒3.39亿亿次。而这仅仅过去了68年。

ENIAC不仅体积庞大，而且使用起来非常并不方便。它每运算几分钟或几小时，需要用几小时到几天来编插程序。且那个时期，没有系统软件，用机器语言和汇编语言编程。因此计算机只能在少数尖端领域中得到运用，一般用于科学，军事和财务等方面的计算。实时处理在当时真的如同“天方夜谭”。

但是，“踏破铁鞋无觅处，得来全不费工夫”，正当瓦雷焦头烂额之际，传来了两个好消息。

  第一条好消息是关于数据传输系统的。ADSEC成员、来自美国空军卡布里奇实验室（AFCRL）的无线电物理研究室主任John Marchetti获悉，AFCRL 的John Harrington 曾开发过称作“数字雷达中继（DRR）”的设备，该设备能够把模拟雷达信号转化成适于在电话线上传输的数字编码。

    第二条好消息是MIT 伺服系统实验室的Jay Forrester正在牵头一个课题组，而该课题组的目标就是开发出世界上第一台实时计算机。

图3 正在研究早期存储阵列的Jay Forrester