近 100 年里,从继电器到真空管,从晶体管再到大规模集成电路,科技的脚步一发而不停歇。20 世纪 60、70 年代开始,这些科技发明被快速地产业化、规模化。叠加资本的加持,数以百计的科技龙头公司迅速壮大,互联网,移动互联网,基因工程,材料工程,新能源.....它们在深刻地改变世界。
我们回顾科技的历史,目的大体上包括: 首先,我们期望通过回顾这些企业的发展历史,以揭示其成功背后的原因。同时试图在技术、产业、国家、资本等几个维度来横向观察,找到一些启发;其次,科技这个话题过于浩瀚,因为任何领域、任何方向的进步,都可以纳入进来,但由于我们的能力非常有限,同时为了确保主线相对清晰,我们尽量选择“信息革命”这条主线展开,此间会提及其他方向,但不作为重点;再次,我们也期望报告可以成为科技投资者、爱好者的工具参考,报告会以时间线将历史上较为重要的事件、节点标注出来,便于读者的查阅;最后,报告的在回顾历史部分有科普的成份,但我们与读者一样,更关心的是:是否能够对未来做出某些启发式的预判,该预判的主要目的是指导投资。因此,我们会在梳理历史之后继续做一些专题讨论与总结,我们想试图回答:历史上科技的发展是否呈现了某些周期性特征?如果是,如何划分周期?如果划分了周期,如何对未来进行预测? 由于篇幅原因,报告无法面面俱到,但权当做是对于中长期科技发展的浅显学习、理解、总结和探索的开端。
人口普查与制表机
从 19 世纪中叶开始,美国人口进入到了高速增长期,1880 年人口突破了5000万。但在没有计算机的背景下,搞清楚当时美国人口的具体情况并不是一件容易的事情。1880 年人口普查历时近 8 年才完成,一切工作都需要手工,当时的数据校验、编制工作异常繁琐,这成为了困扰统计部门的大问题。
时间到了 1890 年,新一次的人口普查工作开始了。此时,美国人口已经增加至6300 万,较 1880 年增加了 26%。同时,所有受访者的普查信息科目又较1880年有了大比例的增加。因此,如果沿用原有的办法,预计完成该次人口普查的结果要超过 10 年时间——也就是说,在 1900 年新的人口普查到来之时,1890年人口普查的统计工作可能都还未结束!当时的美国德裔人赫尔曼·霍尔瑞斯(HermanHollerith)是统计局的员工,他相信结合电力技术与打孔卡(punched card)技术,可以制造出一种能够更快统计人口的机器。
受到了售票员利用在火车票不同位置打孔来记录旅行者的详细信息的启发,霍尔瑞斯使用了带有圆孔的 12 行*24 列的打孔卡片。这些卡片的尺寸为3 英寸宽,7英寸长。在制表机中,有一组装有弹簧的电线悬挂在读卡器上方,卡片放在水银池上,水银池与卡片上可能的洞位置相对应。当电线被压到卡片上时,打孔允许电线浸入水银池,形成闭合电路,它可用于计数、分类,并触发铃声让操作员知道卡片已被读取。 制表机有 40 个计数器,每个计数器都有一个分成 100 个刻度的刻度盘,有两个指针;一个随着每个计数脉冲前进一个单位,另一个随着前一个表盘每转一整圈前进一个单位,计数上限是 9999。
霍尔瑞斯的制表机应用到 1890 年的人口普查之后,工作人员用打孔机在卡片上打孔,输入年龄、居住州、性别和其他信息。期间大约生产了1 亿张卡片,而在整个操作过程中,卡片只通过机器四次。尽管后来在1900 年,具备自动进卡功能的制表机才出现,但在 1890 年,这个手动进卡的制表机,其工作效率已然是人工效率的十倍!它不到 3 年就完成这次高难度的人口普查工作,受到了美国人口普查局的高度肯定。 1896 年,霍尔瑞斯凭借技术优势成立了制表机公司。在那一年,他推出了霍尔瑞斯积分制表机,它可以将打孔卡片上的数字相加,而不仅仅是计算孔的数量。1900年,美国人口普查中使用了更为先进的霍尔瑞斯自动进纸制表机。之后,公司向全世界的人口统计局推销自己的产品,包括英格兰、意大利、德国、俄罗斯、澳大利亚、加拿大、法国、挪威、波多黎各、古巴和菲律宾都使用了其发明的制表机。1911 年,包括霍勒瑞斯公司在内的四家公司(通过股票收购)合并为计算制表记录公司(CTR)。1924 年,CTR 更名为国际商业机器公司(IBM)。此后 IBM 不断完善卡片技术,于 1928 年发明了一种80 列打孔卡片,能更高效地完成巨量数据的记录和制表。到 20 世纪 30 年代,许多企业都使用打孔卡技术记录并保存程序,例如工资单和库存清单。一些需要应对大量数据的科学家,尤其是天文学家,也发现了这些卡片的好用之处——IBM 的80 列打孔卡成为了行业标准。

打孔式制表机,是近代一个伟大的发明,它的意义是将电力与机械装置结合,“卡片”类似事先编写好的定制化程序,而制表机的读卡器则是识别这些程序的“处理器”。 但是把制表机看成“程序”,也有一些局限性:设想在搬运途中,厚厚的一堆卡片散落了,工作人员需要花费大量的时间去重新排序!那么,它能够电子化么?如何实现“无卡化”就变成了问题的关键,也是技术进步的方向。当时,人们对计算机这个概念和现在理解是迥然不同的。在1892 年5月2日“computer”一词首次出现在《纽约时报》上,美国公务员委员会的广告说:“需要一名 computer。考试将包括代数、几何、三角学和天文学的科目。”可见,“computer”当时的意思是计算者,而非计算机。因此,虽然在人类的生产实践过程中,已经制造了以机器替代人工,大大提升劳动效率的制表机,但当时还没有人在理论层面解释:是否会出现计算机?它应该具备哪些功能?以及信息如何被处理?
图灵提出了计算机原型
艾伦·麦席森·图灵(Alan Mathison Turing,1912-1954 年)是英国数学家、逻辑学家,被称为计算机科学之父,1931 年图灵进入剑桥大学国王学院,1936年他发表了重要的论文《论数字计算在决断难题中的应用》。
在论文的附录里他描述了一种可以辅助数学研究的机器,后来被人称为“图灵机”。图灵机有三个组成部分:一条无穷长的纸带,上面有无穷多个格子,每个格子里可以写 0 或 1;一个可以移动的读写头,每次可向当前指向的格子写入0或1;一个有限状态自动机,可以根据自身的状态,以及当前纸带上的格子是0还是1,指示读写头向左或向右移动一个格子,或向当前的格子写入内容。
阿隆佐·邱奇(Alonzo Church,1903–1995)是美国数学家,在普林斯顿大学执教了 40 年,“图灵机”的说法也源自邱奇,他 1937 年在为《符号逻辑杂志》撰写图灵论文的评论里首次用了图灵的名字。 就是这样一个简单得不能再简单的装置,被图灵证明和邱奇的λ演算是等价的,而λ演算又被证明和哥德尔的递归函数是等价的。邱奇-图灵论题(Church-TuringThesis)的表述是:
“所有功能足够强的计算装置的计算能力都等价于图灵机。”图灵、邱奇、克里尼等人证明了当时所有数学家和逻辑学家想出的各种计算装置(例如递归函数、λ演算、Post 系统、图灵机等)都可以互相模拟。图灵机的伟大意义在于:有了它,我们就很容易把原来是纯逻辑或纯数学的公式(例如递归函数和λ演算等)和物理世界联系起来了——函数成了纸带和读写头。如今的所有通用计算机都是图灵机的一种实现,两者的能力是等价的。当一个计算系统可以模拟任意图灵机时,这个系统被称之为“图灵完备”(Turingcomplete);当一个图灵完备的系统可以被图灵机模拟时,即是“图灵等效”(Turingequivalent)。图灵完备和图灵等效成为衡量计算机和编程语言能力的基本标准,如今几乎所有的编程语言也都是图灵完备的,这意味着它们可以相互取代,一款语言能写出的程序用另一款也照样可以实现。
冯·诺依曼完善了结构
图灵在提出图灵机时,还定义了 Universal Turing Machine,简称UTM,“通用图灵机”。通用图灵机的核心思想就是一个图灵机的执行过程也可被编码成数据,放到纸带上,这样一个图灵机就可以把被编码的图灵机指令读出来,一步一步地执行,从而模仿这个特定图灵机的行为。这样,这台能模仿其他图灵机的图灵机就成了通用图灵机。这可不是绕口令,现在的软件产业都得益于此:被编码的图灵机就是软件。后来冯·诺伊曼设计的计算机被人称为冯诺伊曼结构,其最核心的思想就是存储程序(Stored Program)。这个思想就是来自通用图灵机:被编码的图灵机就是存储的程序。 约翰·冯·诺依曼(John von Neumann,1903-1957 年),美籍匈牙利数学家、计算机科学家、物理学家。正是因为他本人在数学上有深厚的基础,以及他曾师从希尔伯特的经历,后者被誉为“数学世界的亚历山大”,使得冯·诺依曼能够在图灵的启发下,提出了著名的“冯·诺依曼结构”(冯·诺依曼把计算机的所有原创思想的功劳都给了图灵)。 20 世纪 30 年代中期,他大胆的提出,抛弃十进制,采用二进制作为数字计算机的数制基础。同时,他还认为可以预先编制计算程序,然后由计算机来按照人们事前制定的计算顺序来执行数值计算工作。
正如理论与实践就好比人类认识世界的两条腿一样,当霍尔瑞斯发明制表机时,他并没有受到图灵的启发,而是在实践中不断摸索以完善其功能;而1944年1月 10 日在布莱奇利园区开始运行的世界上第一台电子计算机ENIAC(关于其具体功能后面再介绍),并没有系统的考虑一个完善的计算机结构应该是怎样的。它存在两大缺点:一是没有存储器;而是它用布线接板进行控制,甚至要搭接几天,计算速度也就被这一工作抵消了。 冯·诺依曼由于在曼哈顿工程中需要大量的运算,从而使用了当时最先进的两台计算机 Mark I 和 ENIAC,在使用 Mark I 和 ENIAC 的过程中,他意识到了存储程序的重要性,从而提出了存储程序逻辑结构。1945 年6 月,冯·诺依曼发表了论文《EDVAC 报告书的第一份草案》(First Draft of a Report on the EDVAC),提出了新型计算机结构:1、以运算单元为中心;2、采用存储程序原理;3、存储器是按地址访问、线性编址的空间;4、控制流由指令流产生;5、指令由操作码和地址码组成;6、数据以二进制编码。

由此,符合该结构的计算机必须具备五大基本组成部件,包括:输入数据和程序的输入设备、记忆程序和数据的存储器、完成数据加工处理的运算器、控制程序执行的控制器,以及输出处理结果的输出设备。
现代的绝大部分计算机,都沿袭了冯·诺依曼结构。在这个结构中,有个非常精妙的思路,就是将“将程序编码为数据,然后与数据一同存放在存储器中”,这样就把“软件”和“硬件”在结构上分离了。设想后边的几十年里,软件行业蓬勃发展,硬件则兼容各种编程语言,通过加载不同的软件,来实现计算机的通用化,其意义何其深远! 所以,这个原创应该归功于“图灵”,冯·诺依曼在这个系统设计中也有自己的原创,即随机寻址。程序、数据和指令序列,都是事先存在存储器中,以便于计算机在工作时能够高速地从存储器中提取指令并加以分析和执行。此外,二进制被应用到该结构,这为此后的电子化的推进(电子管到晶体管,晶体管到集成电路),也扫清了结构上的障碍。 至此,图灵回答了计算机“能不能做”的问题,而冯·诺依曼则诠释了“如何做”的问题。那么,如何让计算机设计得更好?尤其是数字电路的设计是否有更深刻的理论作为支撑?则我们不得不提到信息论的奠基人:香农。
香农为电路设计理论与信息论插上翅膀
克劳德·艾尔伍德·香农(Claude Elwood Shannon,1916-2001 年)是美国数学家,也是信息论的创始人。1932 年香农进入密歇根大学学习,在大学的一门课程中接触到了乔治·布尔的理论。由于香农的知识横跨了两个领域,他1936年大学毕业时,同时获得了两个学士学位:电子工程学士和数学学士。因此,他和冯·诺依曼类似,非常善于将数学理论应用于工程学实践。在研究微分分析机的自组织电路时,香农发现引入布尔代数的概念会带有很大的好处。布尔代数起源于数学领域,是一个用于集合运算和逻辑运算的公式,通过布尔代数进行集合运算可以获取到不同集合之间的交集、并集或补集,进行逻辑运算可以对不同集合进行与、或、非。香农在 1938 年发表了著名论文《继电器与开关电路的符号分析》(A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits)。由于这篇论文,他在 1940 年被授予美国 Alfred Noble 协会美国工程师奖。哈佛大学的哈沃德·加德纳称香农的硕士论文“可能是本世纪最重要、最著名的硕士学位论文”。
在这篇论文中,香农证明了布尔代数和二进制算术可以简化当时在电话交换系统中广泛应用的机电继电器的设计。然后,香农扩展了这个概念,证明了基于机电继电器的电路能用于模拟和解决布尔代数问题。用电子开关模拟布尔逻辑运算是现代电子计算机的基本思路,香农的工作成为数字电路设计的理论基石。香农的伟大贡献还不止于此。在贝尔实验室工作期间,1948 年香农发表了《通讯的数学原理》(A Mathematical Theory of Communication),该论文作为现代信息论研究的开端。 在香农之前,人来从来没有给信息做一个哲学的定义。香农提出了信息的本质,即“信息是将不确定性减少或消除的东西”,他提出“信息熵”的概念,即不确定性越高,信息熵越大,反之,信息熵越小。同时香农还定义了“比特”以衡量信息的大小。今天的通信与网络、5G 传输,包括语音,图像,视频编解码,都是在香农理论基础上演进和发展的。
继电器与电报机
如果说理论的突破给计算机设计注入了灵魂,元器件的发展则提供了血肉。1830 年,美国科学家约瑟夫·亨利(Joseph Henry,1797-1878)发明了继电器,比法拉第更早发现了电磁感应现象,但却没有及时去申请专利。亨利的电磁铁为电报机的发明做出了贡献,实用电报的发明者莫尔斯和惠斯通都采用了亨利发明的继电器。 电磁铁是电报机的基础。在线路的一端闭合或断开开关,可以使线路另一端的电磁铁有所动作。萨缪尔·摩尔斯(Samuel Finley Breese Morse,1791-1872)在接近同一时间同时发明了电报,并在 1837 年在美国取得专利。摩尔斯还发展出一套将字母及数字编码以便拍发的方法,称为摩尔斯电码。
继电器很简单,比如关或者开,可以表示数字世界里的0 或者1,虽然早年的计算机并未一定采用二进制,但继电器以及它后续的继任者如真空管、晶体管,都具有类似的特征,让二进制的运算更加适合计算机的设计。如果我们把开闭一次继电器,看成是元器件的速度,继电器的缺点是速度不够快。在 40 年代,一个好的继电器一秒钟翻转 50 次左右,如果用这个速度去驱动计算机,就决定了它的“主频”太低了。
电子管与电话、收音机、电视机
1883 年,托马斯·爱迪生在寻找电灯泡最佳灯丝材料时,曾做过一个小小的实验。他在真空电灯泡内部碳丝附近安装了一小截铜丝,希望铜丝能阻止碳丝蒸发。但是他失败了,他无意中发现,没有连接在电路里的铜丝,却因接收到碳丝发射的热电子产生了微弱的电流。当时爱迪生正潜心研究城市电力系统,没重视这个现象。但他为这一发现申请了专利,并命名为“爱迪生效应”。一直到 1901 年,英国物理学家欧文·理查森(Sir Owen Richardson ,1879-1959年)提出定律,说明电子的激发态引起箔片漂浮,后更以此拿到1928 年的诺贝尔物理奖。接着英国物理学家约翰·安布罗斯·弗莱明(John Ambrose Fleming,1849-1945 年)在 1904 年发展出真空二极管,美国工程师李·德佛瑞斯特(LeeDeForest,1873-1961 年)在 1907 年在二极管的基础上增加了一个栅极,做出了第一个三极管。
二极管和三极管的出现后,贝尔实验室发现了它可以解决通信信号的远距离传输问题。1927 年,哈罗德·布莱克(Harold Stephen Black,1898-1983 年)有了一个通过反复放大来减少电话传输失真的想法。其概念是负反馈放大器——利用一小部分信号输出和信号输入来提高性能,降低对环境变化的敏感性。这种看似不可能的解决方案是当今许多放大器和控制系统的组成部分。1936 年,负反馈放大器应用到了电话机的放大线路中,它减少了通信信号的失真,最终推动了长途电话、无线电、收音机、电视机的发展。 下图是 1927 年,美国首次公开展示远距离电视传输,赫伯特·胡佛(1929-1933任美国总统)的实时图像通过电话线从华盛顿传送到了纽约市。
20 世纪 30 年代后期,电话用户开始进入到了高增长期,一方面度过了大萧条(1929-1933 年)后经济开始恢复,另一方面电路质量有了明显地提升。
尽管马可尼很早地发明了收音机(也有人说是集成了诸多人的技术),但是那时由于二极管与三极管还没有发明,所以音质、清晰度、可传送距离均无法使得收音机规模化。 李·德佛瑞斯特发明了三极管之后,得益于二极管的滤波作用与三极管的放大作用,1910 年左右,李德·福里斯特将信号传输到一个早期的电弧发射器中。两个电话话筒并联在一起,形成一个双按钮碳话筒。电弧室安装在变送器机柜的右侧。右边是一个音频接收器。1920 年,他就将 2XG 发射机搬到了曼哈顿的世界塔大楼的顶部,从而提高了覆盖范围,并方便了该市剧院区的表演者。1921 年,美国商务部开始担心太多的业余和实验性电台播放面向公众的节目,开始专门为广播设立了许可证牌照制度,所以从 1922 年开始,收音机开始快速发展起来。
电视机的发展则更为曲折一些。 第一个半机械式模拟电视系统在 1925 年被苏格兰人约翰·洛吉·贝尔德(JohnLogie Baird)在伦敦的一次实验中“扫描”出木偶的图像看作是电视诞生的标志,他被称做“电视之父”。后来,他的这个系统被英国广播公司(BBC)所采用,但是由于机械电视机图像太不清晰,后在 1937 年,英国广播公司终止使用这种技术。
1928 年,美国俄裔科学家弗拉基米尔·兹沃里金(Vladimir Zworykin,1889-1982)取得了有关电子电视的专利权,1929 年成为美国无线电公司(RCA)的研究室主任,1933 年研制成功可供电视摄像用的摄像管和显像管。完成了使电视摄像与显像完全电子化的过程,至此,现代电视系统基本成型。今天电视摄影机和电视接收的成像原理与器具,就是根据他的发明改进而来。二战的爆发使得刚发展起来的电视的发展停滞了 10 年。战争结束后,1946年英国广播公司恢复了固定电视节目,美国政府也解除了禁止制造新电视的禁令;电视工业便飞速发展起来。在美国,从 1949 年到 1951 年,不仅电视节目已在全国普遍播出,电视机的数目从 1 百万台升至 1 千多万台,成立了许多家电视台。幽默剧、轻歌舞、卡通片、娱乐节目和好莱坞电影常在电视中播出。此外,与继电器相比,电子管的开关速度大为提升,它每秒钟可以开闭数千次(相较于继电器的每秒几十次),这为计算机从继电器到电子管的转变,奠定了坚实的基础,有关计算机的演进,我们后边再讨论。
晶体管的横空出世
电子管的出现给技术带来的巨大的推动作用,然而它也有一些显而易见的缺点。就像我们看到的,电子管更像是“灯泡”,它功率大,发热高,放大倍数小,综合成本高。尤其是当如果把众多的电子管放在一起,组装成复杂的电子设备(如电子计算机)时,这种弊端就变得明显起来。 在 1947 年,由贝尔实验室的约翰·巴丁(John Bardeen,1908-1991 年)、沃尔特·布拉顿(Walter Houser Brattain,1902-1987 年)和威廉·肖克利(WilliamShockley,1910-1989 年)发明了晶体管,其中巴丁、布拉顿主要发明半导体三极管;肖克利则是发明 PN 二极管,他们因为半导体及晶体管效应的研究获得1956年诺贝尔物理奖。 晶体管由半导体材料组成,至少有三个对外端点称之为极。以双极性接面晶体管为例,有基极(B)、集电极(C)、发射极(E),其中基极(B)是控制极,另外两个端点之间的伏安特性关系是受到控制极的非线性电阻关系。晶体管受控极输入的电流或电压,改变输出端的阻抗,从而控制通过输出端的电流,因此晶体管可以作为电流开关,而因为晶体管输出信号的功率可以大于输入信号的功率,因此晶体管可以作为电子放大器。
与电子管相比,晶体管有明显的优势: 1、寿命更长。电子管因阴极原子的变化和慢性漏气而逐渐劣化。由于技术上的原因,晶体管制作之初也存在同样的问题,但随着材料制作上的进步以及多方面的改善,晶体管的寿命一般比电子管长 100 到 1000 倍;2、体积更小。晶体管消耗电子极少,仅为电子管的十分之一或几十分之一.它不像电子管那样需要加热灯丝以产生自由电子。一台晶体管收音机只要几节干电池就可以半年一年地听下去,这对电子管收音机来说,是难以做到的;3、反应更快。晶体管不需预热,一开机就工作。例如,晶体管收音机一开就响,晶体管电视机一开就很快出现画面.电子管设备就做不到这一点;4、结实可靠。它耐冲击、耐振动,都是电子管所无法比拟的。晶体管每秒钟可以开闭一万次,大约是电子管的 10 倍,是继电器的2000倍。晶体管的成本,灵活性和可靠性使得其成为电子任务的通用器件,例如数字计算。晶体管电路在控制电器和机械的应用上,也正在取代电机设备,因为它通常是更便宜而有效,使用电子控制时,可以使用标准集成电路并编写计算机程序来完成一个机械控制同样的任务。 因为晶体管可以使用高度自动化的过程进行大规模生产的能力,因而可以不可思议地达到极低的单位成本。因为晶体管和后来的电子计算机的低成本,开始了数字化信息的浪潮。它让收音机、计算器、电脑、以及相关电子产品变得更小、更便宜,晶体管被认为是二十世纪最重要的发明。
当我们再次回到 20 世纪 30 年代,打孔卡报表机在商业上的成功,让人们相信,一台好的计算设备潜力巨大。
模拟计算机的发展
美国工程师万尼瓦尔·布什(Vannevar Bush,1890-1974 年)于1922 年创立了后来的雷神公司。1930 年,他发明微分分析器,它是第一批投入使用的先进计算设备之一,香农后来被聘为研究助理,在布什的实验室里运行微分分析仪。第一个广泛实用的通用差分分析仪是由哈罗德·洛克·哈森和瓦尼瓦尔·布什在麻省理工学院研发出来,由六个机械积分器组成。1935 年英国曼彻斯特大学研发出一台包含四个机械积分器的分析仪,在挪威,奥斯陆分析器于 1938 年完成,基于与麻省理工学院机器相同的原理,它有12个积分器。
其后,德国、日本、苏联均建设了类似设备。战争期间,其多用于弹道的计算或者地形地貌测量。 跟现代的数字电脑比起来,模拟计算机可扩展性极差。它必须手动装配(像是重新改编程序)才能处理下一个待解问题,不过早期的数字电脑能力有限,无法解决太过复杂的问题,所以当时的模拟计算机还是占有优势。直到数字电脑越来越快,拥有越来越强的存储能力之后,模拟计算机就迅速受到淘汰。
二战促进了电子计算机的发展
20 世纪 40 年代,受到二次大战影响,战争开启了电子计算机的时代,电子电路、继电器、电容及真空管相继登场,取代机械器件。
第一台电子计算机:马克一号
马克一号(Mark I)是美国第一部大尺寸自动电子计算机,1937 年得到了美国海军的支持,由 IBM 承建,被认为是第一部通用型计算机。它的设计者给它起的名字是全自动化循序控制计算机(Automatic Sequence Controlled Calculator,缩写为 ASCC),马克一号是它的用户哈佛大学给它起的名字。马克一号使用十进位制而非后世的二进位、转轮式储存器、旋转式开关以及电磁继电器,由数个计算单元平行控制,经由打孔纸带进行程式化,虽然马克一号被认为是第一部通用计算机,但并没达到图灵完备的条件。
马克一号使用了 765,000 个元件以及几百里长的电线,体积为16 米长,2.4米高,0.6 米深,重达 4300 公斤。其基本计算单元使用同步式机械,所以它有一跟长15米的传动轴,并由一颗 4 千瓦的马达所驱动。马可一号可以储存72 组数据,每组数据有 23 位十进制数字。每秒可执行 3 次加法或是减法,一个乘法则须6秒,一个除法须 15.3 秒,计算一个对数或是一个三角函数需花费超过一分钟。也有观点认为,阿塔纳索夫-贝瑞计算机是第一台自动电子数字计算机,在1939年由美国物理学家阿塔纳索夫(1903-1995 年)和他的研究生研发成功。无论如何,搭载了机械齿轮的电子计算机,与电子管计算机相较,有着先天的劣势。它们的齿轮会在工作期间不断磨损,部件容易损坏。由于马克一号大约有3500个继电器,假定每个继电器的使用寿命是 10 年,那么平均每天马克一号就有一个继电器失灵。如果遇到有些运算需要几天的时间的话,这种问题是致命的。但这个案例也说明,尽管电子管发明了那么久,但真正商业化过程中,依然有很多的细节问题要解决,使得商业方案不得不双管齐下。
第一台可编程电子计算机:巨人计算机
此外,一些特定用途的计算设备,比如在战争期间的密码破译,也在这段时间被开发出来。二战期间,英国的布莱切利庄园(Bletchley Park)中,图灵设计了能够破解德国英格码的“Bombe”密码破译机。

在 Bombe 的基础上,英国在 1943 年 12 月研制出“巨人计算机”(ColossusMark1),并在 1944 年初在布莱奇利庄园投入使用。
巨人计算机包含了 1500 个电子真空管,组成十进制计数器,阅读速度提高到每秒5000 字符,总重量约 1 吨,功率达 4.5 千瓦。被认为是世界上第一台可编程电子计算机,但是它不是通用计算机,是为一系列密码分析任务设计的。而编程的方法是由开关和插头编程,类似老式的交换机。由于巨人计算机及时提供准确的情报,盟军更早地获得了战斗的胜利。
第一台通用可编程电子计算机:埃尼亚克
时间来到了 1946 年 2 月,世界上第一台通用可编程电子数字计算机“埃尼亚克”(ENIAC)在美国研制成功。ENIAC的全称为 Electronic Numerical IntegratorAndComputer(电子数字积分计算机)。 埃尼亚克为美国陆军的弹道研究实验室(BRL)所使用,用于计算火炮的火力表。长 30.48 米,宽 6 米,高 2.4 米,占地面积 167 平方米,有30 个操作台,重达27 吨,耗电量 150 千瓦,造价 48 万美元。它包含了17,468 根电子管,7,200根二极管,1,500 个继电器,10,000 个电容器,计算速度是每秒5000 次加法或400次乘法,是使用继电器运转的机电式计算机的 1000 倍、手工计算的20 万倍。埃尼亚克可以编程,执行复杂的操作序列,可以包含循环、分支和子程序。但编程的过程相较于后世是痛苦的:获取一个问题并把问题映射到机器上是一个复杂的任务,通常要用几个星期的时间。 埃尼亚克像巨人计算机一样,重新编程的时候需要重新布线。存储程序,以及存储器既用于存储程序,又用于存储数据的思想在开发埃尼亚克的时候就构想出来了,不过在埃尼亚克没有初步实现。
直到这个项目进行了一年以后,冯·诺伊曼才注意到这台计算机,而他在埃尼亚克的实践中提出了“二进制”、“存储单元”、以及被后人称之“冯诺依曼结构”的想法,都基于此时。
冯诺依曼结构电脑问世
第一部成功运作的冯·诺伊曼结构电脑是 1948 年曼彻斯特大学的小规模实验机,又称“宝贝”。随后在 1949 年,曼切斯特 1 型电脑登场,功能完整,以威廉管和磁鼓作为内存媒介,并且引进索引寄存器的功能。1951 年由雷明顿兰德公司(现 Unisys)发售,UNIVAC I(通用自动计算机)成为了第一台商用电子计算机。它的电子管数量为 5200 只,与埃尼亚克相比,电子管数量仅为三分之一以下,存储器为 100 只延迟线存储器。占地26.7 平方米,重量7.2 吨,功率 125KW。该计算机以每台百万美金以上的售价共售出46 台。与IBM的电脑不同,UNIVAC 不配备有打孔卡读卡机。而是以金属磁带代替。此期间,美国军队依然是巨型计算机最重要的大客户。旋风计算机(Whirlwind,也叫 AN/FSQ-7)于 1951 年 4 月问世,成为美国空军的SAGE 防空系统的一部分。它有 5000 个电子管,由于磁芯内存的应用,旋风机的运算速度成为当时的世界第一。加法速度 8 微秒,乘法 25.5 微秒,除法 57 微秒(除去存储器读取时间)。使用磁鼓存储器时 8500 微秒的读取时间在改用磁芯内存(magnetic corememory)之后仅为 8 微秒。旋风机的高速化使得 SAGE 系统的开发成为可能,并开始量产AN/FSQ-7,生产商为 IBM。
它的主控制程序用了 62500 张打孔纸卡,大约等于5M 内存。此时,编程依然是非常麻烦的任务,旋风计算机在顶峰时期,雇佣了全世界20%的程序员!
回顾电子管计算机的发展,体积大,造价高,功率大,是其普遍问题。以上列举的几种典型的电子管计算机,体积都在数吨甚至数十吨,耗电巨大,例如有传言说,每当埃尼亚克计算机启动的时候,费城的灯都变暗了!正是贝尔实验室晶体管的发明,使得计算机有了从电子管迈向晶体管的可能,而电子管计算机将迎来新的蜕变!1952 年 4 月,贝尔实验室将晶体管技术授权了40家公司,每家公司支付了 25000 美元专利许可费。其中既有通用电气(GE)和RCA等电子巨头,也有德州仪器(Texas Instruments)和索尼(Sony)等当时的小公司。该授权使得晶体管技术进入量产的快车道,《财富》杂志宣称1953 年将是“晶体管之年”。
晶体管计算机的出现
TRADIC(TRAnsistor DIgital Computer or TRansistorized AirborneDIgitalComputer,晶体管数字计算机)是美国第一台晶体管化的计算机,客户是美国空军,于 1951 年项目启动,1954 年完成。 由于晶体管是贝尔实验室发明的,因此 TRADIC 计算机早于1955 年完成于奥地利的 Mailüfterl 或英国的 Harwell CADET。尽管在 1953 年,英国曼彻斯特大学展示了晶体管电脑的雏形,但它使用真空管产生时脉信号,因此并不是完全晶体管化的电脑。但 TRADIC 的 1 MHz 主频,功率为 30 瓦,也是由真空管电源提供的,因为当时没有可用的晶体管可以在该频率下提供这么大的功率。TRADIC 具有 684 个贝尔实验室 1734 型 A 型盒式晶体管和10358 个二极管。它微小且轻巧,且它是一台通用计算机。电脑的程式是通过可插拔的插接板引入,程序则是使用打孔卡引入。TRADIC 每秒可执行一百万次逻辑运算,速度接近但仍不如当时 1 MHz 主频的电子管计算机,但是 TRADIC 的功率不到100 瓦,而且比真空管更可靠。 这一时期的 IBM,在计算机发展上也开始突飞猛进。1952 年,IBM 发布了第一批大规模制造的商用科学大型计算机 IBM 701,是 IBM 700 系列大型计算机的第一个型号,后续还有 IBM 702、704、705 和 709。该系列使IBM 在20 世纪60年代和 70 年代的大型计算机市场占据主导地位,这种局面一直延续到今天。IMB 701 比公司在 1948 年开发的 SSEC 计算机快 25 倍,占用空间不到四分之一。它每秒钟能进行 16000 次以上的加减运算,每秒钟从磁带上读出12500 个数字,每秒钟打印 180 个字母或数字,每秒钟从打孔卡上输出400 个数字。由于价格很高,1953 年,IBM 701 提供租赁服务,租金是每个月12000 美元。IBM 701 可以说是第一台显示人工智能潜力的计算机,1954 年它完成了首次俄语英语翻译,1956 年 2 月 IBM 在电视上向公众展示了亚瑟・塞缪尔(ArthurSamuel,1901-1990 年,机器学习之父)的跳棋程序。 IBM 于 1954 年推出 IBM 704,所使用的磁芯内存后来成为大型电脑的标准配置。第一套可执行的一般用途高阶编程语言 FORTRAN 也是在1955 年到1956 年间出现,是 IBM 为 704 所开发的,并在 1957 年初发布。1959 年,IBM 陆续发布了IBM709与 IBM 7090,从 IBM 7090 开始,大型机就开始全部晶体管化了。1960 年,IBM7090的售价高达 290 万美元(这相当于 2021 年的 2000 万美元),或者每月63500美元的租金(相当于 2021 年的 43 万美元)。
继 700 系列之后,IBM 从 1954 年开始推出了体积更小、性价比更高的IBM650计算机。它的重量为 900 公斤,价格 50 万美元,或者3500 美元的月租金。到了1962年,IBM 650 总共生产了近 2000 台。鉴于 IBM 650 是为“普通商业”开发的机器,后来成为 20 世纪 50 年代最受欢迎的计算机。 当时没有今天“硬盘”的概念,数据和指令以磁化点的形式存储在一个直径4英寸、长 16 英寸、每分钟旋转 12500 次的滚筒表面。磁鼓存储器可以在2000个单独的“地址”中保存 20000 位数字。
关于 IBM 的产品和故事,我们将再下一篇报告中继续。而作为本篇报告最后一部分,我们还将思考一个问题:是什么原因,使得信息革命发源于西方世界,尤其是这段时间里,天枰明显地倾向了美国?
人才导向移民政策
科技不是一个国家的事业,而是全人类的。它需要兼容并蓄,海纳百川,尤其是对人才,高端人才的吸引是至关重要的。和特朗普时期在墨西哥边境修建移民墙,大幅缩减移民所不同,早期的美国移民政策是开放的。以下是早期美国的移民政策: 19 世纪早期,鼓励移民:19 世纪 60 年代,美国进入到了工业化发展的高峰期,为了吸引外来人口移民,1864 年美国国会制定了《鼓励外来移民法》法案,此时的移民政策包容度很高。 20 世纪初期,限制西方世界之外的移民:在 1921 年,国会制定了《移民配额法令》,优先吸引吸引农业技术移民,同时西方世界以外的国家移民有所限制,但西方国家不受这种限制。 20 世纪三四十年代,吸引人才成为战略:美国对土地资源、劳动力数量和金融资本的关注度降低,而对科技、软件人才更加重视,移民政策开始向技术倾斜。1946年颁布了《富布莱特法案》,规定设立专项资金支持外国学者和学生到美国从事科学研究活动。1948 年-1959 年,美国相继颁布了《战争难民法》、《难民救济法》、《难民亲属法》,其中吸引外来高素质人才是重要方向。20 世纪50年代,美国多次修改移民法,核心是高技术人才可以不受限制地享受各项政策优惠措施和有限移民美国的权力。

在 1920 年之前,来自欧洲的移民比例占到了 80%以上,后来美洲移民人口比例逐渐提升。
很多大科学家,都不是一代美国人。例如,尼古拉·特斯拉(发明家)是塞尔维亚人,冯·诺依曼是匈牙利人、爱因斯坦是德国人、萨洛米·格吕克森·韦尔什(遗传学家)是德国人,费米(中子物理之父)是意大利人,奥本海默(原子弹之父)犹太人,哥德尔是捷克人,杨振宁是中国人等等。正是吸收了全球在近代几百年的科学技术努力成果,网罗大量的来自欧洲以及全球的人才,才使得理论创新在美国得以实现。当时无论是爱因斯坦、奥本海默、还是冯·诺依曼,他们在欧洲生活时期已经取得了耀眼的成就,但二战使得他们在欧洲无法获得稳定的科研环境。
国家投入加垄断巨头主导下的研发模式
从二战到 70 年代,美国政府主导着研发与基础研究,尤其在二战时期以及美苏冷战时期(1962 年古巴导弹危机时期更是到了极点),政府在研发上的投入高达65%。此间,美国先后成立了美国国家科学基金会、国家航空航天局等机构,并启动了阿波罗计划等,这些政策和措施大大促进了美国联邦研发资金投入的增长。到70年,研发经费较 1953 年翻了 5 倍,基础研究投入较1953 年翻了近8 倍。
所以,在巨型机的研发过程中,当时客户要么来自政府,要么来自军方。以及在相当长的时间里,IBM 的重要客户都是政府与军方,这也导致了它在后续很多年的个人 PC 革命中,多少不能适应个人市场发展。政府投资研发的优势是可以在短时间不计商业回报,往往可以定制天价的项目,这在计算机技术没有大规模商业化的初期,给了商业企业、大学很多的实践机会。此外,说到技术进步,就不得不提到贝尔实验室。可以说,贝尔实验室是最近100年科技史上最重要的科研机构。它一共获得了三万多项专利,诞生了9 个诺贝尔奖、5 个图灵奖的获得者,今天的大规模集成电路,太阳能等重要应用源自于它的发明。前文提到的香农,以及肖克利(晶体管发明人),都是它的员工。
贝尔实验室的兴衰,也是贝尔电话公司(AT&T 的前身)的兴衰。1877 年亚历山大·格拉汉姆·贝尔(Alexander Graham Bell,1847-1922)创立了贝尔电话公司,1880 年更名为美国贝尔电话公司。1881 年贝尔电话公司从西联公司收购了西方电器。在漫长的历史中,贝尔电话公司曾登顶过世界上最大的电话公司和世界上最大的有线电视运营商,是电信行业的垄断者。在1950年代和1960 年代的鼎盛时期,该公司员工有数十万。直到1984 年,美国司法部依据《反托拉斯法》拆分了它,分拆出一个继承了母公司名称的新AT&T 公司(专营长途电话业务)和七个本地电话公司(即“贝尔七兄弟”),美国电信业从此进入了竞争时代。

1925 年,贝尔电话公司收购了西方电器公司的研究部门,并成立一个名为“贝尔电话实验室公司”的独立实体,后来改名为“贝尔实验室”,以巩固贝尔系统在通讯领域和相关科学领域的发展和研究活动。 恰恰由于贝尔电话公司在电信行业傲视群雄的地位,使得它能够大手笔扶持贝尔实验室的研发工作。在二战时期,由于贝尔实验室的工程师掌握通信技术,所以它很自然地开始为军方服务,1941 年前后,联邦政府就开始向西电公司和贝尔实验室这样的组织投入数亿美元的资金。在珍珠港事件后的最初几年里,贝尔实验室承接了军方近千个不同的项目,比如坦克用无线电设备、戴氧气罩的飞行员使用的通信系统、为保密信息加密的机器,贝尔实验室的规模从战前的大约4600人,增加到了战争期间的 9000 人。当时的研发负责人凯利曾表示:“在战争的4年内,一些技术领域已经取得了进步,而在和平年代,取得这些成果将需要10-20年的时间。” 贝尔实验室在成立之初的研发团队就分为两个部分:一部分是与通信设备直接相关的项目和产品研发,约有 2000 人左右。另外大约有300 人从事基础研究和应用研究,后者包括了物理和有机化学、冶金学、磁学、电导体、辐射、电子学、声学、语音学、光学、数学、机械学等领域,甚至包括生理学、心理学和天文学领域的研究。 正是有了一只可以长期从事理论研究的队伍,贝尔实验室才得以孜孜以求地在后续漫长的时间里,在诸多基础技术领域有所突破。1997 年“卫星通信之父”约翰·罗宾森·皮尔斯总结贝尔实验室的成功,归结为以下4 点:1.持久的顶尖技术管理能力。 2.研究员无须筹集资金。 3.相关课题或设备研究能获得数年的扶持。 4.终止研究时研究人员不会有失业之虞。 尽管后来贝尔实验室已经随着 AT&T 的分拆走向没落,但人们依然还能回忆起:20世纪 50 年代的某一段时间,香农有时根本就不上班,有时候很晚了才来实验室,下棋打发一天的剩余时间,是那么慵懒而惬意。
今天的苹果,微软,谷歌,脸书,它们都有自己的研究院,但稍微了解一下则可发现,它们在理论上的创新乏善可陈,均无法同贝尔实验室相较,或许它只属于那个时代,一旦信息革命潘多拉的魔盒被打开,诸多的应用型企业商业化而获得巨大成功的同时,也面临着来自各个方向的竞争,而且这种竞争多是错位竞争,往往企业都不知道自己的竞争对手是谁。比如诺基亚觉得自己的竞争对手是拥有Windows CE 系统的微软,然而做播放器的苹果成了新对手;微软觉得自己的对手是拥有安卓系统的谷歌,结果亚马逊成了云计算的新对手。当代的研究机构无疑要疲于奔命在这些具体的、短期的项目,或者侧重于产品上的突破,而缺乏培育理论研究动辄以数年计的耐心与包容。 无论如何,国家投入,以及具有垄断特征的企业投入到基础研究中,是当时美国取得理论突破的关键。这至少说明,与产品、应用不同,理论突破的组织形式更适合自上而下,且要坚持数年。
数学的传承与跨学科应用
1931 年,图灵考入剑桥大学国王学院,由于成绩优异而获得数学奖学金。1935年,他的第一篇数学论文“左右殆周期性的等价”发表于《伦敦数学会杂志》上。同一年,他还写出“论高斯误差函数”一文。这一论文使他由一名大学生直接当选为国王学院的研究员,并于次年荣获英国著名的史密斯(Smith)数学奖,成为国王学院声名显赫的毕业生之一。1938 年 6 月,图灵获普林斯顿数学系博士学位。而冯诺依曼六岁时能心算做八位数除法,八岁时掌握微积分,十二岁就读懂领会了波莱尔的大作《函数论》要义。1921 年冯·诺依曼在布达佩斯大学注册为数学方面的学生,但并不听课,只是每年按时参加考试,考试都得A。1926 年他在苏黎世联邦工业大学获得化学方面的大学毕业学位,通过在每学期期末回到布达佩斯大学通过课程考试,他也获得了布达佩斯大学数学博士学位。1926 年春,冯·诺依曼到哥廷根大学任希尔伯特的助手。1927~1929 年,在柏林大学任兼职讲师期间,他发表了集合论、代数和量子理论方面的文章。1927 年冯·诺依曼到波兰里沃夫出席数学家会议,那时他在数学基础和集合论方面的工作已经很有名气。香农则是 1936 年毕业于密歇根大学并获得数学和电子工程学士学位。1940年获得麻省理工学院(MIT)数学博士学位和电子工程硕士学位。1941 年他加入贝尔实验室数学部,工作到 1972 年。
三个人的共同特征是热爱数学,都是数学博士,或者更进一步说都是数学家。而其中冯·诺依曼与香农都学习了第二学位,前者是化学,后者是电子工程学。此外,图灵、冯·诺依曼、香农都直接或者间接参加了二战时期的破译密码工作。很大程度上,他们对数学的理解是超越一般意义上的“熟练”,他们能思考其然,也能理解其所以然,勇于指出前辈的不足,并能把数学理论跨学科地应用于工程学、通信、生物遗传学、人工智能等领域。 某种程度上,因为他们对自牛顿以来积累三百多年的近代数学一种传承,而这种传承正如牛顿所说:“我只是站在巨人的肩膀上”,而现代数学的应用与理论的突破也是站在笛卡尔、帕斯卡、牛顿、莱布尼茨、费马、欧拉、哥德巴赫、高斯、黎曼、庞加莱等数学巨匠的肩膀上。
知识产权的推动
早在 1236 年,英国国王曾授给波尔多市民色布的制作技术15 年的垄断权;1331年又授予弗来明商人织布染布的特权;1367 年授给两个商人经营钟表的特权;1561 年又批准了制造白色石碱的专利权。但是,早期英国的专利制度仅仅是国王赠赐性质的君主特权制度。 英国在 1624 年颁布了《专利法》(Statute of Monopolies),该法令被视为专利法发展的一个关键时刻,被描述为“英国经济从封建向资本主义转变的里程碑之一”。 1790 年美国颁布了第一部专利法,该专利法在当时非常系统,其中专利的保护期限是:发明专利及植物专利 17 年,外观设计为 3.5 年、7 年和14 年,由申请人选定。法国于 1791 年颁布第一部专利法,保护对象有发明专利和实用新型,前者的保护期 20 年,后者为 6 年。进入到了 19 世纪,西方主要国家都相继颁布了专利法。 1790 年,美国的专利申请数量仅为 3 件,次年到了33 件,到1900 年,专利申请数量达到了 41000 件。在大萧条(1929-1933 年)年前,每年专利申请数量达到了 8 万件-9 万件,在二战期间,申请数量触及低谷,二战之后又快速恢复。

在电视机的专利史上,有一件轶事。美国发明家菲洛·泰勒·法恩斯沃思(PhiloTaylor Farnsworth,1906-1971)申请析像管(image dissector)专利时,同样时间兹沃里金所在的美国无线电公司(RCA)也同时申请该专利,专利局要他们提供自己更早提出该想法的证据。面对投入了大量人力物力、来势汹汹的RCA,法恩斯沃思显得有些过于薄弱。在这种关键时刻,法恩斯沃思的老师贾斯廷·托尔曼出现在了法庭上,这位老师展示了法恩斯沃思多年前交给他的析像管原始示意图(还有说法是老师凭借记忆力画出了当年的设计草图)。法院最终判定法恩斯沃思在这个领域的研究早于兹沃里金的工作,这张草图为法恩斯沃思赢得了专利之争。故事到这里还没有结束,RCA 败诉之后,又花了5 年时间进行上诉,他们的想法是让法恩斯沃思忙于诉讼,以耗尽他的资金并减少专利保护的剩余有效时间。天不遂人愿,在二战期间,刚刚起步的电视工业停滞了6 年,而到了1946年电视重启的时候,法恩斯沃思的专利已经过期。此时,RCA 铺天盖地地宣传兹沃里金才是电视机之父,而法恩斯沃思此时已经无力回天。专利法、专利保护,为商业发明与创造提供了有力的保护,专利制度深入人心,围绕着专利的争夺在 100 年前就层出不穷,这极大程度上促进了信息革命的进步。
在本篇报告中,我们总结了图灵在理论层面上证明了所有功能足够强的计算装置的计算能力都等价于图灵机,它解决了现代计算机能不能做出来,做出来的限制和边界在哪里的问题;冯·诺依曼则在工程学上有所突破,提出了二进制、可存储、随机寻址的现代计算机结构;香农则是把布尔代数引入到了电路设计中,并进一步为信息的本质做了剖析,为后续信息存储、传递、压缩、解码、加密等工作打下了坚实的理论基础。 在爱迪生发明灯泡的同时,“爱迪生效应”并没有被充分重视,继电器开关曾统治着电路设计领域。随着后续二极管与三极管的发明,元器件的反应速度突飞猛进,由继电器的每秒开闭几十次,提升到了二极管的每秒开闭几千次。在50年代末期,伴随着晶体管的商业化,它逐步替代了电子管,成为现代电路的新生力量,体积更小,速度更快,稳定性更强,功率更低的设备被制造出来,广泛地影响了电话、广播、电视、计算机等行业。
在这个时期,计算机还处在巨型机时期。它们的重量一般都在数吨,功率达上百千瓦,计算机直到 50 年代末才有量产的征兆,一般都是一对一的客户定制模式或者服务于政府、军方、超级大企业。此时的计算机还没有现代意义的硬盘,一般通过磁芯或者磁鼓的方式存储。此外,编程要么通过布线或者开关操作的方式,要么通过打孔卡,尽管 FORTRAN 语言被发明了出来,但是高级计算机语言尚不流行,也做不到在多种计算机之间共通。 由于软硬件尚无法分离,因此在 50 年代之前,“通用计算机”还不够广义,它们能做的事情往往在某一个领域,服务某一些特定的客户,完成一些特定的任务。任何试图改变工作任务的尝试,短则几天,长则几个星期,而且“程序人员”的数量很少。由于价格的因素,计算机除了购买,还可以租赁,与此同时,还不得不研发出分时系统“兼容时分系统”(CTSS,1961 年) ,有点像今天的云计算,即多个客户同时使用一台计算机以降低成本。
总而言之,尽管在今天眼里,当时的计算机是如此笨重,如此低效,如此昂贵......但那却是人类在科技史上的执着追求、循序渐进、永不停歇的印记。早在几十年甚至百年前的理论基础与诸多发明创造,为未来的迅猛发展与康庄坦途,奠定了坚实的基础。 1952 年,贝尔公司把垄断的晶体管技术广泛地授权给了诸多企业,当时的企业或许再如何乐观,也可能低估了这个事件背后所引发的滔天巨浪与连锁反应。有一些名不见经传的公司,终将成为举世瞩目的电子与信息行业的龙头与霸主。作为晶体管的发明人,肖克利,在与贝尔实验室沟通升职加薪无果的背景下,于1955 年,也怀揣着自己的梦想,离开新泽西的莫瑞山(Murray Hill)贝尔实验室,回到了故乡加州硅谷瞭望山,建立了肖克利实验室股份有限公司。他小小的举动,后来在美国科技史上引发的巨大的、深远的影响,此后的十几年,开启了新的一页——晶体管/集成电路时代。
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