當布萊切利莊園的團隊為了破解德軍新型加密系統「鋸鰩」，秘密地在 1943 年底開發出史上第一台可程式化的數位電子計算機——「巨像一號」(Mark 1 Colossus) 時，大西洋的另一邊，美國陸軍為了提升彈道分析的效率，也正在開發「電子數值積分儀暨計算機」(Electronic Numerical Integrator And Computer，簡稱 ENIAC)。
ENIAC 用的真空管多達一萬七千多個，比巨像一號多了十倍。除了運算能力更勝一籌，最大的差別在於，巨像一號只能執行破解密碼的程式，但 ENIAC 卻能進行各種數學運算，是史上第一台可程式化的通用型電腦，儘管它是以十進位進行運算，而非二進位。
更換程式太麻煩
ENIAC 同樣是以切換開關和插拔纜線的方式來設定程式，每次要更換不同程式都非常麻煩又耗時，當絕頂聰明的馮紐曼於 1944 年 8 月受邀參觀時，當場就對此表示不以為然。他一針見血的提出解決之道：何不將程式編寫於打孔卡片上，然後讀取到儲存裝置中；若要更換程式，只要輸入另外一疊卡片，就可以輕易取代原有程式。
設計 ENIAC 的莫奇利 (John Mauchly) 與艾科特 (J. Presper Eckert) 相視苦笑，他們何嘗沒有想過，但現實中就是沒有適合的貯存裝置，無論是電磁閥或是利用電刷為電容充放電，都是靠機械動作，速度跟不上。
難道不能用真空管嗎？其實 ENIAC 已經有用一些真空管做為暫存器，貯存計算的數據和函數。但這已是極限，若要再貯存程式，得用更多真空管，如此一來，原本已重達 27 噸的 ENIAC 更塞不下房間裡，而且完工時程又將延誤，軍方絕不允許。
充滿幹勁的馮紐曼可不願就此作罷，他已經勾起興趣，決心要開發出理想中的計算機。25 歲的艾科特大感振奮，因為他原本就有此想法，如今有備受各方敬重的馮紐曼出面，極有可能付諸實現。事實上他在去年底，已經注意到雷達系統中有樣東西或許可以做為計算機的貯存裝置。
水銀延遲線記憶體
雷達原理是不斷發射無線電波，然後將反彈回來的電波轉換成電子訊號，呈現在螢幕上，藉此判斷目標物的移動方向與距離。然而高山、雲層等靜止不動的物體也會反射電波，如果沒有把這類訊號濾除掉，螢幕上豈不是佈滿光點，無法區辨？
為了消除這些沒用的光點，當接收到反彈回來的無線電波後，電子訊號會一分為二，一個直接送往螢幕，另一個傳送到一根裝滿特殊液體的金屬管，管子一端的石英晶體因電流而震盪，產生的脈衝波經由液體傳遞到另一端的石英晶體後，因為壓電效應又轉成電子訊號，再輸出到螢幕。
經過適當調校，如果是來自靜止物體的反射電波，經過金屬管子延遲抵達螢幕的訊號會和原始訊號互相抵銷，就不會產生光點。但目標物因為不斷移動，反射回來的電波相位不斷改變，因此不會和延遲訊號抵銷，而呈現在螢幕上。
艾科特從中獲得靈感，電子訊號輸入金屬管所形成的脈衝波若能形成駐波，便可做為計算機的記憶裝置。不過金屬管的長度要夠長，才能容納更多週期變化的脈衝波，只是管子越長，就會耗損越多脈衝波的能量，影響訊號的正確性。艾科特做了許多實驗後，在 1944 年初發現脈衝波在水銀中的耗損最低，不過要做為計算機的貯存裝置，仍有許多技術問題要解決。
馮紐曼倒是一聽就覺得大有可為，於是經他跟軍方積極斡旋下，開發小組一邊建造 ENIAC，同時一邊設計下一代計算機「電子離散變數自動計算機」(Electronic Discrete Variable Automatic Computer，簡稱 EDVAC)，首創先例將程式和數據都貯存在一個電子裝置中。
艾科特果真成功改造延遲訊號用的金屬管，除了將水銀維持在攝氏 40 度的恆溫，並加上一條再生迴路 (regeneration circuit)，讓抵達輸出端的訊號加強後再回到輸入端，就能維持訊號穩定。這裝置便稱為「水銀延遲線記憶體」(mercury delay line memory) ，共有 16 條水銀管，每條可貯存 560 個位元，容量共 1.12 KB。
馮紐曼架構
1945 年 6 月，EDVAC 的設計大致底定後，馮紐曼寫成一份技術文件交給陸軍的負責人高士汀 (Herman Goldstine)。高士汀收到這份手稿後，立即打印成 101 頁的正式文件，題為〈EDVAC 報告初稿〉(First Draft of a Report on the EDVAC)。正是這份初稿揭櫫了現代電腦的架構，將計算機分為五大單元：運算單元、控制單元、記憶單元，輸入裝置與輸出裝置；從此這便稱為「馮紐曼架構」。
高士汀常來參加開發小組的會議，明明知道 EDVAC 是眾人努力的成果，卻在報告上將馮紐曼列為唯一作者，等於抹煞了其他團隊成員的貢獻。艾科特更覺得情何以堪，他早就提出儲存程式的想法，也是他發明了水銀延遲線記憶體，真正屬於馮紐曼個人創見的只有可變記憶體位址，如今卻由馮紐曼一人獨享光環。
更嚴重的是，高士汀和馮紐曼沒有徵詢過團隊成員，就逕行將報告分送給美、英兩國 24 個單位。或許他們認為這就像發表科學研究一樣理所當然，也有助於電腦的發展，但對莫奇利與艾科特而言，卻因此無法申請相關專利，智慧財產權受到侵害，因此兩人等到戰爭結束後便憤而求去，自行創業。馮紐曼也回到普林斯頓高等研究院，自己著手打造 IAS 電腦。EDVAC 的核心成員紛紛離去，最後延宕到 1952 年才成功運轉，反而其他幾部根據〈EDVAC 報告初稿〉開發的電腦更早就完工了。
圖片來源：Wikipedia
水銀延遲線記憶體很快就被其它新的技術取代，但無可否認地，沒有艾科特這項發明讓記憶體的構想付諸實現，也不會有影響深遠的〈EDVAC 報告初稿〉。難怪艾科特生前一直忿忿不平，認為所謂的「馮紐曼架構」應該要叫「艾科特架構」才對。
參考資料
