【推动科技】美国政府如何助推科研发展

【推动科技】美国政府如何助推科研发展

电脑计算

在20世纪40年代至60年代，美国政府推动科学研究及其应用的主要影响近在眼前：电脑的加速发展。

到1945年，美国军方已经明确地界定了要用更快的计算解决的问题，支持基础研究的容忍度也大大地增加了。在令人印象深刻的战时成果的基础上，美国海军研究办公室于1946年8月获得国会授权，任务范围很广。到1948年底，海军研究办公室雇用了1000名直属科学家，并资助了大约40%的美国的基础研究，包括大多数试图开发的通用目的、存储程序和电脑项目。

第一台大型电子计算机在英国（而不是美国）开发，其明确目的是在第二次世界大战期间帮助破解德国和日本的密码。机器破译密码的初期，包括美国海军在20世纪30年代初，取得了相当大的成功。英国在第二次世界大战期间曾在布莱奇利公园使用机电模拟计算机，但到战争结束时，其技术的局限性变得十分明显。1942年初，德国人修改了“谜”（Enigma）电码，用于与潜艇通信。这种方式让破译密码所需的计算时间急剧增加；以前一天之内可能完成的事情，现在需要花一个月的时间。盟军最终使用各种变通的方法来回应，包括将许多机电计算机并联，加上研究较新版本的德国密码簿。尽管如此，对更快的计算速度的需求已经成为国家安全的首要问题。

人们还普遍认识到，战时的雷达工作开发了能够处理高电脉冲率的系统，这是电子计算机的一个关键要素。第二次世界大战后，美国军方立即多次试图让IBM和NCR等老牌大型私营企业进行必要的研发。然而，正如范内瓦·布什在平常命题中所预见的那样，那些老牌大公司对此不感兴趣。

计算机行业历史学家肯尼思·弗拉姆评价说，“在20世纪50年代早期，IBM和NCR等商业公司仍然不愿意在市场不确定的高风险研发项目上投入大量资金，使得政府不得不继续赞助这项新技术。冷战时期的军工技术竞争提高了政府的兴趣”。

下一个最佳办法是把计算机开发工作外包给学术界和工业界，由美国军方提供经费，并承担项目失败的风险。军方不得不在私营企业不愿涉足的领域发挥领导作用。

与此同时，苏联于1949年进行了热核试验，1950年爆发了朝鲜战争。有人担心美国可能遭到轰炸机袭击，因此美国空军决定加大对特定计算项目的资金支持：旋风项目，即麻省理工学院的电脑项目。

旋风项目是一个有趣的例子，因为它说明了基础研究潜在的风险和回报。最初，资金由海军提供，目的是开发一个飞行模拟器，用于在各种飞机上进行飞行员培训。这项工作开展得比预期慢，甚至海军研究办公室在20世纪40年代后期也经历了预算压力。海军研究办公室很高兴地将该项目移交给空军。空军希望开发一个系统来管理大数据，这些数据主要来自寻找敌方轰炸机的雷达。53旋风项目为计算机技术带来了几项重大突破，包括磁芯存储器的开发，带来了存储和访问数据的重大突破。

赛其（SAGE）半自动地面防空系统的开发极大地影响了计算机编程领域。兰德（RAND）公司是一个负责软件工作的外部承包商，估计要编写超过100万行代码。这被认为是一个巨大的挑战，当时最大的程序涉及不到5万行。

据估计，这个项目在几年内使美国程序员的数量翻了一番。其程序员培训量是各家计算机制造商培训量的总和再乘以4。此外，1963—1966年，《国防教育法》第8条为3.3万计算机人员支付了培训费用。当时最大的计算机公司IBM每年培训1万人。

具有讽刺意味的是，当防空系统建立并运行时，苏联导弹技术的发展使得该防空系统基本上形同虚设。在更大的计划中，包括美苏之间的竞争所导致的更重要的发展是通用计算机率先在美国顺利运行。看清这个发展的最好途径，就是讲讲IBM的故事。

越来越大的机器

IBM的崛起令人瞩目。这也许是科技公司的第一个现代榜样。1929年，IBM是一家主要生产打孔出卡机的制造商，雇用了4400名员工，还是一家相对较小的公司。

第二次世界大战期间，美国陆军和海军情报部门使用了大量IBM的打孔出卡机。这些机器是高效的外围设备。到1950年初，公司拥有27751名员工，成了一家大公司，但仍然不算一个经济巨头。

IBM进入晶体管数字计算机业务的第一个主要机型名为“扩展”机，因为它扩展了技术的组织能力，最初是为洛斯·阿拉莫斯科学实验室特制开发的，用于原子武器试验。“扩展”机也出售给国家安全局。

据报道，IBM没有在这台早期机型上赚到钱。但是，公司内部的创新知识直接促进了IBM 7090的开发，然后销售了200台IBM7090。这批产品利润很高。然后是IBM系统360，这也是一个巨大的成功。可以理解的是，IBM与其政府客户之间有着密切的关系，因为私营企业几乎没人能够负担得起这些巨大而昂贵的机器。在20世纪50年代，IBM一半以上的国内电子数据处理收入来自两个程序，即B-52轰炸机和防空制导计算机。

政府不仅仅是一个客户，它还资助了这些机器背后的创新。1963年，政府支付了IBM 35%的计算机研发费用，支付了伯罗斯（Burroughs） 50%的研发费用，支付了控制数据公司40%的研发费用，而控制数据公司是IBM的竞争对手。

从1952年开始的半自动地面防空系统的合同经验中，IBM研发了廉价可靠的核心内存以及印刷电路板的专业知识。1955年IBM国内雇员总数为3.9万人，其中有7000-8000人从事半自动地面防空系统的工作。

半自动地面防空系统的工作经验转而应用于半自动商业研究环境（SABRE），于1965年投入运营，这是首个商用的实时交易处理系统，并开发了各种应用版本。

IBM持续迅速崛起。1960年就业人数增至94912人，1970年增至238662人，1980年初增至337119人。更为引人注目的是：1970年，IBM股票反映未来预期利润的市值美元价相当于整个美国股市的6.8%，是第二次世界大战以来所有美国公司当中的最高估值。在根据收入排名的《财富》500强中，IBM从1955年的第61位上升到1970年的第5位。IBM已成为世界上最大、最有价值的公司之一。

政府更多的是支持IBM的研究，还是购买其专业产品？事实上，美国政府扮演了双重角色，这对鼓励该领域投资可谓至关重要，进而促进了基础技术的重大改进、集成电路的开发和计算机硬件的微机化。

小晶体管的大影响

晶体管于1947年在贝尔实验室发明。电话公司使用大量的真空管来改变系统中的电流。管子在很长一段时间内工作得很好，但它们很大，很热，而且容易断裂。贝尔实验室的变革性创新得益于与雷达系统相关的战时工作，这些工作对耐用性要求很高，所以需要在硅片上创建功能相同的组件。

1956年，发明者之一的威廉·肖克利搬到圣何塞地区，开了一家公司，吸引了大量的科学人才。然而，在大约一年之内，他惹恼了8名关键员工，他们离开了公司，在1959年找到了仙童半导体（Fairchild Semiconductor）公司，并发明了硅集成电路。现在，可以在同一块硅片上创建并连接多个晶体管就受益于此。到1962年，仙童半导体公司可以生产包含十几个晶体管的集成电路——现代计算机在一个芯片上有数十亿个晶体管。

这是一个关于私营企业创新的了不起的故事，也是微电子产业在今天我们所称的硅谷发展的最重要原因。在流行的传说中，较少强调集成电路背后的研发费用主要由政府支付。在1949-1958年的早期，贝尔实验室半导体研究预算的25%由美国军方资助。1959年，85%的电子研究由联邦政府资助，从20世纪50年代末到70年代初，国防部资助了近一半的半导体研发经费。

起初，美国军队是主要客户。20世纪60年代初，空军决定在“民兵2型”导弹中使用集成电路。1965年空军采购约占其销售额的1/5。直到1965年，商业计算机才使用集成电路。NASA和军方是半导体晶体管业务早期最重要的客户。他们的计算机需要轻巧坚固，足以承受加速的影响，所以真空管不适合。

这一时期最重要的发展之一，是美国国防部高级研究计划局的诞生。国防部高级研究计划局成立于1958年初，是对苏联卫星的直接回应。在支持创新方面，国防部高级研究计划局获得了大量当之无愧的赞誉。尽管它更加注重潜在回报率高和风险更大的项目，但从历史背景来看，它是建立在海军和空军所确立的传统上。正如一位官员所说，“如果我们的项目都没有失败，必定是因为我们扩展不足”；另一位官员说，“如果半数的人没有面对公开挑战，声称其为不可能，说明我们还没有设置足够高的标准”。

国防部高级研究计划局更显著的成就包括：促进创建互联网，广泛支持全国各地计算机科学的发展。国防部高级研究计划局还协助开发了通过卫星传输的GPS、语音翻译、隐形飞机和高性能半导体砷化镓。该机构还声称对无人机和平板显示屏的发展做出了贡献。假肢的发展，也得益于国防部高级研究计划局的投资。

今天，几乎您的计算机的所有功能，以及您使用电脑的方式，都源于美国政府在早期阶段的资助。海军研究办公室、空军和国防部高级研究计划局提供的战略支持非常突出，包括开发我们现在认为完全普通的计算机交互的方式，比如鼠标和图形用户界面的各种层面：资助道格拉斯·恩格尔巴特开发麦金塔（Mac）计算机，资助Windows操作系统等（参见第四章）。在20世纪50年代，大约有80个不同的机构生产计算机。军工和国防承包商以购买或其他方式支付了这些机构生产的所有第一批次机器的费用。

与第二次世界大战之后一样，美国政府为技术需求的提高匹配了技术工人供应的增加。政府主要通过购买设备、赠款资助研究以及为研究生提供奖学金来资助计算机科学院系的发展。1981—1995年，联邦政府为计算机科学院系购买了大约65%的研究设备。政府还资助了研究网络的建设，例如将大学连接到高级研究计划署网络（阿帕网，ARPANET），该网络成为后来互联网的基础。

在20世纪90年代末，联邦资金占大学计算机科学和电气工程研究账户的70%左右。这笔资金不仅有益于研究，而且有支持研究生教育的额外好处。这些研究生毕业后往往去创建新公司，成为美国高科技的骨干。

国防部高级研究计划局还资助了一些令人印象深刻的失败项目，例如国家航空太空飞机，试图使飞机从跑道上起飞，飞入太空，然后返回。另一个昂贵而明显的死胡同是战略计算项目。这是20世纪80年代创造某种人工智能的努力。然而，即使失败也能创造新知识，并随着时间的推移而产生影响。AI研究和汽车自动驾驶技术的现代复兴可以追溯到国防部高级研究计划局资助的工作。

况且，如果美国不首先采取行动，其他国家也可能取得早期突破。在德国，模拟计算机有相当好的基础，其中一些在战后仍在继续。苏联也很早就意识到需要更快的计算，沿着与美国相似的军事路线筹划。英国早期也有强大的项目，包括战时巨无霸破译机和第二次世界大战期间数学天才艾伦·图灵在战后研发的ACE系统。英国人只是在20世纪60年代才落后于IBM，因为IBM终于能够把半自动地面防空系统的军用知识转化为商业应用，特别是IBM系统360的问世。

1947-1970年，美国家庭平均收入翻了一番。财富的增量在全国得到分享，不只是在沿海，在中西部工业区和活力乍现的新南方都在同时增长。

世界各地都感受到了新技术的广泛益处。美国普遍地希望支持一个更加稳定的世界，主要是为了避免大萧条和两次世界大战的重演。然而，推动实用的、提高生产力技术的传播，主要不是出自利他主义，也不是有意的帮助。想法一旦以实用技术的形式实现，就很难停下来，非常容易传播到任何受到吸引的地方。

自然，其他国家也会做出反应，即为自己的科学项目投资，实际上就是试图模仿美国的技术创新，推出自己的版本。于是成就了由政府精心支持，但由私营企业主导的技术创新时代。