今天(20/Feb/2020)從英國BBC NEWS讀到一篇報導“The computer pioneer who built modern China” (By Leila McNeill),該篇文章所介紹的這位中國電腦先驅,雖然被中國電腦業界、學術界共同尊稱為「先生」(若翻成英文,應該是the Master(大師),而非Mr.),但其實是一位女士:「夏培肅」博士,如果各位對這位女士早已久仰大名,那這篇文章就不用看了,如果各位也是跟我一樣,活了一把年紀到今天才第一次聽到她的大名,而且還不知道她是何方神聖,那就請繼續看下去。
電腦的先行者,她締造了現代化的中國
我先前曾介紹過“Hedy lamarr”這位美艷的好萊塢女星竟然登上了“American Heritage of Invention & Technology”(美國發明與科技遺產)科技期刊封面的傳奇故事,她被譽為「現代手機通訊之母」(請參閱拙作: https://trshang.pixnet.net/blog/post/96054388)。而夏培肅女士在60年前(1960年四月),由她親自設計、研發,製造出了中國第一部自主研製的通用電子計算機「107型機」,因此稱她為「中國計算機之母」絕對當之無愧,也無人能挑戰她的地位,因為現今全中國搞計算機科技的,無論是學術界還是產業界有頭有臉的人物,全都是夏培肅女士所培養出來的徒子徒孫,在一片以男性為主導的計算機領域中,能以一介女流之輩,被產業界巨擘、學術界菁英共同尊稱為「夏先生」,就足以證明夏培肅女士在中國電算科技界無可撼動的地位與貢獻。
先從夏先生的生平介紹起:
1923年7月28日,夏培肅出生於重慶一個教育世家,祖父夏風薰是前清的秀才,從事教育工作40年,父親夏鴻儒是滿清末年的舉人,曾在江津縣辦學和辦實業,母親黃孝永曾任江津女子小學校長和江津女子中學教員。這樣的成長環境,為年幼的夏培肅打下了良好的古文和數學基礎,夏培肅從兩三歲開始接觸古典詩詞,四歲起上了四年半小學後因病輟學,在父母安排下在家中自學6年,此後直到14歲以同等學歷考上私立南渝中學(後改名南開中學)高中部之前,她的大部分知識都是在家裡學習的,她的家庭數學教師把當時初、高中的數學知識融合在一起,夏培肅僅用了一年半的時間,就把代數、平面幾何、立體幾何學完了,還做了「歐氏幾何」「范氏大代數」中的不少題目,這大大提升了夏培肅的思維邏輯性,激發了她對數學的濃厚興趣。
1939年,夏培肅轉到江津縣國立第九中學,當時正是抗日戰爭期間,同學大多是各省的流亡學生,艱苦的戰時生活和日本人的暴行讓她下定決心學工科,以求工業救國。
1940年,她以全校第一名的成績畢業,考入當時赫赫有名的重慶國立中央大學電機系,電機系的課程繁重,教科書都是英文的,學生必須用英文寫實驗報告。除了學習本系的課程之外,她還旁聽了數學系的一些課程,另外還學習了為研究生開設的關於電路瞬態分析(Electrical Fast Transient EFT)的課程。夏培肅在這裡發現了自己的特長和興趣所在。
1941年,夏培肅(前排右二)和大學同學合影
1945年,夏培肅經推薦保送進入交通大學重慶分校電信研究所,師從所長張鐘俊博士研究電路的張量分析,當時的上海交通大學聚集了一大批剛從歐美留學歸來的年輕學者,他們帶回了世界科技發展的新知識、新技術,使夏培肅獲益匪淺。
學生時代的夏培肅
同年春天,在夏培肅22歲的時候,她遇到了生命中的另一半,中央大學機械系的楊立銘,後來兩人先後赴英國愛丁堡大學攻讀博士。
夏培肅在英國愛丁堡大學讀研究生期間留影
1950年夏培肅獲電機系博士,主要研究包括電路理論、自動控制和非線性常微分方程及其應用,在獲得博士學位後仍留校進行博士後研究,這段經歷為她後來從事計算機電路研究和設計工作奠定了堅實的基礎。同年,她與楊立銘在英國結為伉儷。(楊立銘於1948年獲物理博士,後來成為中國著名的理論物理學家,專注於原子核理論研究,特別是原子核多體理論、核内粒子間關聯及核内集體運動方面)。
在進行博士後研究沒多久,中國著名物理學家周培源教授訪問英國,拜會愛丁堡大學時,周培源會見了夏培肅的先生楊立銘,並對楊先生回國工作給予了很大的鼓舞,在聽聞了新中國生機勃勃的景象之後,眼看報效祖國的時機已到,於是夏培肅夫婦決定啟程回國。
1951年10月,滿懷建設新中國的熱情,夏培肅偕同夫婿一起回到了中國,擔任清華大學電機系電訊網絡研究室副研究員。
從零開始,中國計算機研發的篳路藍縷:
1946年,美國成功研製世界上第一台電子數值積分計算機“ENIAC”(Electronic Numerical Integrator And Computer)。
1949年,美國著名數學家約翰·馮·諾伊曼(John von Neumann)成功研製了世界上第一台可自動程式設計的離散變量自動電子計算機“EDVAC”(Electronic Discrete Variable Automatic Computer)交付給美國彈道研究實驗室,1951年開始運行。
1952年,中國科學院數學研究所所長華羅庚敏銳地感覺到約翰·馮·諾伊曼這個劃時代的發明將會改變整個世界,因此特別創立了中國第一個電子計算機科研小組,他從清華大學電機系找來了電訊網絡研究室主任閔乃大博士擔任組長,另一位是閔乃大教授的助手王傳英,而剛回國不久、年僅29歲的副研究員夏培肅博士也名列其中。
夏培肅曾說:「一個人在一生中,常常會有一些改變命運的重要轉折點;對於我來說,這個重要的轉折點出現在1952年秋天的一個晚上,當我第一次謁見華羅庚教授時。」正是這個轉折點,使她成為中國計算機技術的主要開拓者。
1953年1月3日計算機科研三人小組正式成立,在此之前,中國對電子計算機領域的研究可說是一片空白,在硬體方面連最基本的實驗室和實驗裝置也沒有,由於計算機的研發在當時連西方先進國家也都尚處於萌芽階段,而且是屬於高度機密的國防科技。在美蘇兩大陣營冷戰對抗的年代,身為共產主義國家之一的中國,當年被西方資本主義國家斷絕了一切科技與經貿易的往來(其處境如同現今的北韓),因此國內當時完全無法取得任何有關電子計算機原理與技術的資訊。
小組成員們克服重重困難,一方面從圖書館的英文期刊中尋找任何有關計算機方面的文章,另一方面還透過海外的同學關係協助搜尋相關的資料,由於當時還没有影印機,所有的資料都只能靠人工一個字一個字地抄錄,經過半年的資料搜尋與研究後,小組成員逐漸掌握了計算機設計的理論基礎,實驗室的研究器材和設備也是從一無所有的情况下,逐步建立起對計算機基本邏輯電路的運算分析實驗。
同年,計算機科研小组就提出了研製中國第一台電子計算機的構想,根據這個構想,這台計算機將與1951年美國約翰·馮·諾伊曼完成的EDVAC計算機的規模相當,但其存儲器將採用示波管存儲器,而不用EDVAC計算機所用的水銀延遲線存儲器。
1954年,計算機小組從華羅庚任所長的數學研究所,轉到了錢三強(中國原子彈之父)所領導的近代物理研究所(後改為中科院物理研究所),同年6月,三人小組之一的王傳英,被錢三强安排轉去蘇聯學習原子能,從此離開了計算機研發小組。
1955年,為了讓更多人了解電子計算機,夏培肅女士開始著手編寫電子計算機原理講義,這是中國第一本系統性介紹電子計算機原理的講義,由於全世界第一台電子計算機是美國人發明的,因此當年所有的計算機術語和專有名詞全都是英文,她在編寫計算機原理講義時反覆推敲,將英文專業術語翻譯成中文,而這些計算機術語和專有名詞的中文翻譯一直沿用至今,已經成為典範。
1956年3月,夏培肅女士在物理研究所創辦了一個「計算機原理講習班」,每期一到兩年,講授電子計算機的基本原理,包括二進位、布爾代數、邏輯電路、四則運算的算法以及計算機各個部件的工作原理等,當時中國的各大學還沒有計算機專業科系,因此這個訓練班在中國來說是開創性的,相當於中國計算機界的黃埔軍校,到1962年共辦了四期,總共培育了700多名計算機領域的專業人才,為中國計算機科技的發展奠定了堅實的人才基礎,這些學員們後來無論是在計算機產業界或是學術界都成為業界的領頭羊,例如中國工程院院士李國傑,計算機體系首席科學家韓承德,「龍芯一號」CPU晶片的主要研製人胡偉武等,因此「中國計算機之母」這個封號,夏培肅女士絕對是當之無愧,而「夏先生」(the Master)也成了中國計算機領域的科技大老們共同對夏女士的獨尊敬稱。
1956年9月,夏培肅女士隨計算機技術考察團赴蘇聯莫斯科、列寧格勒兩地,考察蘇聯對計算機科技的研究、製造與教育訓練。由於當時根據國家科技規劃,決定直接向蘇聯購買設計圖來仿製蘇聯的計算機,因此剛起步的計算機科研小組的研究計畫暫時被中止。
但是她並未停止計算機設計的研發工作,由於計算機運行需要一個穩定的電路設計,並要經過長時間的反覆測試,因為電路是否穩定,會直接影響計算機儲存器的穩定狀態,在物資缺乏的那個年代,最大的困難是沒有足夠的器材設備,能夠支援這類的測試及研發。
1958年8月1日,在蘇聯專家的指導下,中國成功地按照蘇聯設計圖仿製出了小型電子計算機「103型機」(仿製蘇聯M-3型),這一年,計算機科研小組的組長閔乃大也離開了中國,全家移民去了當時的東德,原先的三人小組最後只剩夏培肅一人獨自踏上計算機研發的征途。
同年,中國科學院計算技術研究所决定自行研發通用計算機時,她才得以將自己過去完成的設計付諸實施,夏培肅女士對過去在近代物理研究所設計的計算機進行了修改,最大的改動就是將示波管存儲器改為當時較先進的磁芯存儲器。
1959年10月1日,中國成功研製出大型電子計算機「104型機」(仿製蘇聯БЭСМ-II型機),該機共生產7台,每秒運行1萬次,在當年中國原子彈的研發過程中發揮了重要作用。
1960年,這是中國自主研發、自製計算機的元年,這一年,由於中蘇交惡,蘇聯斷絕了所有對中國的經濟、科技、軍事上的援助,此時的中國,不但被西方資本主義國家孤立,同時也被蘇聯老大哥所背棄,中國從此在科技研發的道路上,被迫走向獨立自主,自立自強的崎嶇之路。
也就是在這一年4月,以夏培肅女士為首,與中國科技大學合作,自主研發、設計的「107型」計算機研製成功,完全擺脫了依賴蘇聯的設計和規範,為日後中國計算機科技的獨立自主,踏出了成功的第一步,也是中國計算機事業發展的一個重要的里程碑,在當年中國有限的科研條件下,107型計算機的誕生一直被視為是一個傳奇。
107型計算機(為了散熱,有好幾台電風扇伺候著)
當年計算機所面臨最大的困擾就是穩定性問題,由於當時計算機元件都是真空管及二極管(固態二極體發明前,類似真空管的二極體),不但耗電而且會產生高溫,常常工作半小時真空管就會燒毀,連室內日光燈的開關都會造成電流不穩定而發生當機的狀況(美國第一台電腦也同樣有真空管經常燒毀的問題)。
但107型機没有這些問題,第一次開機就連續工作運行了20.5小時,最後還是人工把它關機的,比先前仿製蘇聯的計算機的工作壽命長了幾十倍,這主要歸功於夏培肅女士精心設計的穩定電路,在計算機運行中起了關鍵作用,後來其他科研人員也採用相同的設計也獲得同樣穩定運行的效果。
107型計算機被安裝在北京玉泉路的中國科學技術大學,這是中國第一所擁有電子計算機的大學,中科大以107型計算機為基礎,編寫了「計算機原理」和「程序設計講義」,作為該校計算機專業科系、力學系、自動化系、地球物理系的教材。除為教學服務外,107型計算機還接受外單位的計算任務,包括潮汐預報計算、原子核反應堆射線能量分布計算、隧道二極管特性計算、爆破波傳播計算、自動控制中的最佳控制計算、建築工程中的震動曲線計算等。當時,第一機械工業部第一研究所還複製了一台107型計算機,專門用於彈道計算。
1964年,夏培肅女士有效地解决了大型計算機的高速信號傳輸時出現的波形畸變問題,她對此問題進行了詳盡的理論分析和大量實驗,提出了全機特性阻抗匹配的概念、導線不分支原則、分布式運算等思維。這些研究成果後來成為中國多項大型高速計算機研發計畫所採用或參考。她也為自己後來負責設計研製的多台高性能計算機,制定了具體的工程設計規範,保障了穩定的信號傳輸效果。
1968年,提出了最大時間差流水線(管道傳輸)原理“Maximum-rate pipeline theory” (美國學者L.W. Cotton於1969年發表了同樣的理論) 可以大大提高流水線計算機的時鐘頻率,或使用較慢的電路達到過去只有高速電路才能實現的高速運算。
1977年,夏培肅女士與許孔時等人合作主編了「英漢計算機辭典」,1984年由人民郵電出版社出版,並被香港三聯書店複印,該辭典於1988年獲全國優秀科技圖書二等獎。
1978年,夏培肅女士創辦了「計算機學報」,1986年,創辦了英文期刊“Journal of Computer Science and Technology”(JCST),並分別擔任第一任的主编,這兩份在中國計算機領域算是最具影響力的學術刊物,已經分别成為The Engineering Index (EI):「工程索引資料庫」、Science Citation Index (SCI):「科技期刊引用文獻資料庫」的索引刊物。
1981年,成功研製出高速陣列處理機150-AP,她提出總體功能設計、邏輯設計和工程設計整合化的設計理念,使計算機的運算速度大幅提升,該計算機的最高運算速度達到每秒1400萬次,用低成本實現運算速度高於美國當時對中國禁運同類型計算機的運算速度,在國際上受到了巨大關注,150-AP型機也為中國石油勘探作出了重大貢獻。這一年,150-AP的成功運行受到美國有關方面的注意,夏培肅女士受邀赴美國參加第8屆國際計算機系統結構會議作特邀报告。
1983年,她的學生林琦博士設計試製成功了GF-10/13計算機,該機的時脈頻率為100MHz,其運算速度為當時常規計算機的5倍。後来,夏培肅女士根據該原理設計,試製成功16位元計算邏輯部件芯片,1991年獲得國家專利。
1985年,夏培肅女士代表中國科學院對英國皇家學會交換教授,去英國多所大學講學,並被赫里奥-瓦特大學(Heriot-Watt University)聘為訪問教授,為了表彰她對計算機科技的貢獻,該校在隆重纪念蒸汽機發明者瓦特命名100周年的大會上,授予她名譽科學博士學位。
1985年,夏培肅(前排左四)在英國獲赫里奧-瓦特大學獲得名譽科學博士學位。
1991年,當選為中國科學院院士。
1992年,被收入英國劍橋世界婦女名人錄。
90年代中期,夏培肅女士提出反圖拓樸之可伸縮的高速互連網絡,在國内外獲得3項專利。
1998年,夏培肅女士與周毓麟院士、金怡濂院士共同主持了香山科學會議(香山科學會議是由國家科學技術部和中國科學院於1993年創辦,位於北京近郊的香山公園區),會中發表主題報告提出: 「中國計算機發展一直没有自己的芯片,不管做什麼都得用國外的芯片,她希望能研發屬於中國自有的芯片,做自己的芯片,不然中國計算機領域將永遠受制於人,並且提到高性能計算機的研發與應用不應只是商業行為,而必須是由國家來主導」。
2000年,年事已高的夏培肅女士沒有再提出申請新的科研項目,但她始終關注計算技術的發展,當時量子計算機開始成了熱門話題,但主要是物理學家在研究,計算機專業的科研人員難以深入理解。為了破解量子計算機的謎團,夏培肅女士在物理學家丈夫楊立銘的指導下,花了大約一年時間,閱讀了100多篇相關的論文,學習了量子力學的基本概念,最終撰寫了一篇綜述性文章「量子計算」,在中國計算機界產生了良好的反應並被廣泛引用。
2006年在北京大學住所外
2002年9月,中國第一枚通用CPU「龍芯一號」成功發布,終結了中國計算機產業「無芯」的歷史。研製龍芯的負責人之一胡偉武博士說,他最想感謝的人是恩師夏培肅先生。為了紀念夏先生獻身計算機研發和教育50周年,該晶片被命名為「夏50」。
2011年1月22日,在北京昆侖飯店舉行的中國計算機學會(CCF)頒獎大會上,89歲高齡的中國科學院院士夏培肅女士,獲得了CCF首次頒發的「 CCF 終身成就獎」,肯定她為中國計算機事業所貢獻的一切。
2014年8月27日11时10分,夏培肅女士因病醫治無效,在北京逝世,享年91歲,中科院計算所在訃聞中這樣介绍:「著名計算機專家和教育家、我國計算機研究的先驅和我國計算機事業的重要奠基人之一、中國科學院計算機技術研究所研究員、中國科學院院士」。
曾擔任聯想集團首席科學家、北京航空航天大學計算機學院教授祝明發博士這樣說:「這些講法非常準確,夏先生擔得起這種尊重」,「一是對我國的計算機事業作出了開創性的貢獻,二是培養了大量計算機學科人才,這是夏先生最突出的兩點成就」。
這一年,中國計算機學會(China Computer Federation CCF)設立了「CCF夏培肅獎」,授予在學術、工程、教育及產業等領域,為推動中國的計算機事業做出傑出貢獻、取得突出成就的女性科技工作者。
夏先生一生共培養了60多名研究生,其中有兩名獲全國優秀博士學位論文獎,3人獲中國青年科技獎,不少研究生都取得了令人矚目的學術成績。
2014年9月2日,夏培肅院士的告别式在北京八寶山舉行,人們從世界各地趕來送別這位被稱為「中國計算機之母」的夏先生,「中關留倩影,計算記芳魂」有人用這幅輓聯表達對她的哀悼。
夏先生千古之後,很多人直到最近才第一次聽到「夏培肅」這個陌生的名字(包括本人在內,也是透過BBC NEWS報導得知),這真是一個諷刺,她一生淡泊名利,從不在學生的研究論文中署名,除非自己有參與實質性的研究工作,她的弟子們深知夏先生的原則,一直都十分小心,不敢隨便在自己的論文中署上指導老師的名字,對於知名度,學術地位等,夏培肅的學生之一、中科院計算所研究員唐志敏說:「這些都不是夏先生追求的」。
後記:
1. 文章的標題的解釋:
台灣讀者可能不瞭解「中關留倩影,計算記芳魂」其中的典故,這裡需要稍作解釋,中關指的是中關村科技園區(其地位類似台灣的新竹科學園區),又稱中關村國家自主創新示範區,簡稱中關村,是中國高新技術產業聚集區,也被譽為「中國的矽谷」,位於北京市西郊的海淀區。
台灣觀光客去北京必遊的景點圓明園、頤和園就是在海淀區,再深入一點的還有香山公園與北京植物園,而北京大學與清華大學就緊鄰著圓明園與頤和園(如同台灣新竹市的交大與清華),夏培肅女士自從英國歸國後就在清華大學任教,一生都奉獻給計算機的研發事業,而位於北大、清華附近的中關村科技園區,就是從當年清華大學計算機科研小組肇始的,所以上聯是:「中關留倩影」
下聯「計算記芳魂」,計算並非動詞,而是名詞,指的是「計算機」(Computer,台灣翻譯成電腦),身為中國計算機科技的開拓者,夏培肅女士值得被人永遠紀念,所以下聯是: 「計算記芳魂」。我覺得這幅輓聯寫得極好,短短兩句就概括了夏培肅女士一生的足跡與功勳,所以將它作為文章的主題。
2. 中國計算機科技的崛起與停滯:
中國從50年代起開始發展計算機科技,其目的是為了發展「兩彈一星」(原子彈、氫彈與衛星)國防戰略計畫的需要,初期從仿製蘇聯的計算機開始,60年代中蘇交惡之後,被迫走上獨立自主的研發之路(夏先生對此功不可沒),初期雖然落後西方先進國家將近十年,但比起當時亞洲的日本、韓國可一點都不輸人。中國在一群海外歸國優秀科技人才的努力之下,一路超英趕美急起直追,將中國與歐美的計算機科技差距拉近到5年。
1966年,由毛澤東所發起的文化大革命運動爆發後,中國國家科學技術委員會、中國科學技術協會、中國科學院先後被「砸爛」。1968年底,中國科學院僅在北京的171位高級研究人員中,便有131位先後被列為打倒和審查對象,全院被迫害致死者達229名。除被立案審查或打倒外,包括中國科學院人員在內的中國大批科技人員及科技幹部都被下放到五七幹校勞動。
例如中國第一代核物理學家、中國近代原子能事業的開拓者和奠基人之一的錢三強與其妻子何澤慧被稱為「中國的居里夫婦」(他倆當年在法國就直接師從居禮夫人),如此優秀的科學家卻慘遭批鬥,妻子何澤慧從原子能研究所副所長迫當掃廁所的工友,1964年10月16日中國第一顆原子彈試爆成功,這一天是錢三強51歲的生日,由他一手主導的中國的原子彈研發計畫,試爆時連現場都不准他參加,試爆三天後與妻子一同被下放到陝西合陽「五七幹校」勞改,錢三強和何澤慧的三個孩子,也都被下放到陝西農村。
前文提到曾在英國勸說夏培肅夫婦返國報效新中國的中國物理學家,北大教授周培源博士,在文革期間也被貼大字報指名批判,還被抄家,數學系系主任華羅庚也被批判、抄家,寶貴的數學研究文稿盡失,再也沒能找回。
文革期間中國高級知識分子被打成臭老九,有留洋背景的被打成西方特務,有前國民黨背景的更慘,許多海歸派學人在文革期間被鬥死或自殺,堂堂的留洋博士,大學教授下放到農村裡種田、養牛、掏糞幹勞力活。夏培肅女士也曾經因為留學過英國,而有裡通外國的問題受過審查,也被下放到北京西郊的門頭溝參與農村勞動。整整十年的文革動盪、造成中國科技研發停滯不前,荒廢了十年的寶貴光陰,使得中國的科技腳步又再度落後西方一個世代。
3. 中國計算機科技的落後:
文革之後,隨著鄧小平的改革開放政策,朝向資本主義、市場經濟自由化看齊,原本在共產制度下由國家撥款經營的國營企業紛紛改為民營化,民營企業為了求生存、求獲利,被迫短視近利,放棄過去耗時費錢重視基礎研究路線,改採直接引進國外現成的科技走代工生產路線,使得中國計算機產業已經從根本上落後歐美先進國家,甚至被鄰近的日本、韓國所超越。
在這個階段,雖然中國也仿製或研製出了幾種機型,如1984年的2780機,1985年的銀河超級小型機,1986年的HN-2730超級小型機,1987年的太極2220等,但由於缺乏微電子工業的技術支持,加上國家戰略決策的失誤,生產這些計算機的主要硬體設備完全仰賴進口,中國這個時候想單憑自己的技術,已經很難完全自主生産出一台計算機了。
1981年8月12日美國IBM推出小型廉價的個人用電腦(Personal Computer, IBM PC),從此電腦走入尋常百姓家,幾乎人手一機,電腦已經不再只是過去那種體積龐大、成本高昂、操作複雜的大型超級電腦,然而不論是大型超級電腦還是廉價的個人電腦,其核心的基礎技術如半導體製程、積體電路、中央處理器(CPU),已經完全無法獨立自主,半導體代工仰賴台灣、韓國,中央處理器除了蘋果公司的PC專用CPU以外,全世界的CPU市場主要被美國的Intel和AMD兩家公司所壟斷,兩家公司的CPU市占率達98%。直到2000年,中國的「龍芯」(夏50)誕生,才算打破了外國的長期技術壟斷,結束了中國計算機產業近二十年的無「芯」歷史。
4. 結語:
夏培肅女士的一生,不像美國的好萊塢女星“Hedy lamarr”那麼多彩多姿,她一生的經歷與科技領域上的成就,非電機或電算背景的人恐怕也難以窺其究竟,本文所提及的許多電算專業術語,已經讓許多人望之卻步難以理解,因此不同於「現代手機通訊之母」,可以將Hedy lamarr精彩的一生,以故事的方式敘述,本文是以編年史的方式記錄其一生的功勳,誠如毛澤東的名言「婦女能頂半邊天」,夏先生對中國計算機產業與人才培育的貢獻,絕對足以頂起中國這一片天。









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