DRTEコンピューター

DRTEコンピュータは、カナダ国防研究委員会傘下の防衛研究電気通信研究所（DRTE）で開発されたトランジスタ式コンピュータである。初期の完全トランジスタ式マシンの一つで、1957年に試作機が稼働し、1960年に完全開発が完了した。[ 1 ]性能は非常に優れており、PDP-1などの同時代のマシンと同等であったが、どの商用ベンダーもこの設計を採用することはなく、カナダ海軍の太平洋海軍研究所への販売が唯一実現しなかった。このマシンは現在、カナダ科学技術博物館に収蔵されているカナダ国立科学技術コレクションの一部である。

トランジスタ研究

1950年代初頭、ほとんどの電子機器において、トランジスタはまだ真空管に取って代わっていませんでした。真空管は、同じモデルであっても真空管ごとに特性が大きく異なっていました。技術者たちは、回路全体がこれらの変化に過度に影響されないようにし、問題を起こさずに交換できる技術を開発していました。しかし、トランジスタベースのシステムでは、同じ技術はまだ開発されていませんでした。あまりにも新しい技術だったからです。小規模な回路であれば「手作業で調整」して動作させることは可能でしたが、多数のトランジスタを使用する大規模なシステムについては、まだ十分に理解されていませんでした。同時に、トランジスタはまだ高価で、真空管は約0.75ドルであるのに対し、同様のトランジスタは約8ドルでした。そのため、ほとんどの企業では実験を行う機会が限られていました。

DRTEはもともと通信システムの改善を目的として設立され、その目的のために、ノーマン・ムーディの指揮の下、新設の電子工学研究所において、複雑な回路におけるトランジスタの利用に関する研究プログラムを開始しました。1950年から1960年にかけて、電子工学研究所はトランジスタ分野における主要な研究拠点となり、アウトリーチプログラムである電子部品研究開発委員会を通じて、トランジスタ分野に参入していたカナダの大手電子工学企業から訪れたエンジニアたちに知識を伝えることができました。

コンピュータの最終的な完成へと導いた鍵となる開発は、ムーディーによる新しいタイプのフリップフロップ回路の発明でした。これはあらゆるコンピュータシステムの主要構成要素です。ムーディーの設計では、PNPトランジスタとNPNトランジスタを背中合わせに接続したPNPN接合が用いられました。当時のほとんどのマシンはエクルズ・ジョーダン・フリップフロップを使用していました。これは元々真空管をベースとした概念で、真空管をトランジスタに置き換えて使用されていました。PNPN回路ははるかに高い出力を提供し、追加の増幅器なしでより多くの「下流」回路を駆動することができました。その結果、デジタル回路を実装するために必要なトランジスタの総数が、場合によっては大幅に削減されました。ムーディーはこの回路を1956年に発表しました。

後になって気づいた欠点の一つは、ムーディーズのフリップフロップの電流消費が不均衡だったことです。そのため、異なる数値をフリップフロップに格納すると、電源に必要な電流が大きく異なる可能性があります。一般的に、このような負荷変動は、消費電力の増減時に発生するノイズを低減するために、可能な限り避けるべきです。コンピューターのように電力レベルが非常に低い場合、これらのノイズパルスは信号自体と同じくらい強力になる可能性があります。

コンピューター

公式の勧告は一度もなかったようですが、1950年代半ばまでにDRTEは、複雑なシステムにおけるトランジスタ技術を真に開発する最良の方法はコンピュータを構築することだと判断しました。当時、これはDRTE自身の用途に必要なものではなく、他のシステムではほとんど不可能な、DRTEの能力を試すための極めて複雑なシステムの一例に過ぎませんでした。しかし、開発が進むにつれて、関係するエンジニアの多くは、電子工学よりもコンピュータ設計に興味を持つようになりました。これはDRTEの規定外であり、最終的にはDRTEと資金提供者であるDRBとの間の摩擦の原因となりました。

1955年頃から、デビッド・フロリダはムーディーのフリップフロップ設計を用いたコンピュータの開発を主導しました。彼は既存のコンピュータ設計を調査し、コンピュータの複雑さの主な制限は真空管の焼損率に大きく起因していると結論付けました。より強力な設計にはより多くの真空管が必要となり、焼損の頻度が増すことになります。SAGEのような非常に巨大なマシンもいくつか作られていましたが、ほとんどのマシンは稼働率を向上させるためにはるかに小型でした。トランジスタの登場によりこの制限はなくなり、トランジスタの数を増やす費用を払う覚悟さえあれば、信頼性にほとんど影響を与えることなく、より複雑なマシンを作ることができました。トランジスタの価格は常に下落していたため、フロリダの設計には、科学技術マシンに役立つと思われるあらゆる機能が盛り込まれていました。

特に、この設計には最終的に、入出力用の多数のサブシステム、ハードウェアによる2進数/10進数コンバータ、[ 2 ]平方根関数を含む浮動小数点ハードウェア、多数のループ命令とそれらをサポートするインデックスレジスタが含まれ、複雑な3アドレス命令形式が使用されていました。3アドレスシステムとは、すべての命令に最大2つのオペランドのアドレスと結果が含まれることを意味します。このシステムにはアキュムレータが含まれず、すべての演算の結果はメインメモリに書き戻されます。これは、コンピュータメモリの速度がプロセッサとほぼ同等であった当時（今日ではメモリはプロセッサよりもはるかに低速です）には望ましいことでした。

プロセッサ設計

フロリダは以前マンチェスター・マーク1を開発したチームに所属しており、そのチームに倣って40ビットワードのDRTEマシンを設計した。命令は4つの10ビット部分、つまり命令と3つの10ビットアドレスに分割された。これにより、メインメモリの合計サイズは2の10乗 = 1024個の40ビットワード、つまり現代の用語で40KBになった。整数は39ビットと1ビットの符号を使用し、浮動小数点数は8ビットの指数と1ビットの符号、32ビットの仮数と1ビットの符号を使用していた。フロリダは、2つのパラメータと1つの結果のアドレスを含む3アドレスの命令形式の方が、レジスタベースのシステムよりもプログラミングが容易になると考えた。

このマシンの実験版は、基本的な演算ユニットとメモリ処理で構成されていました。完全なシステムの構築は1958年に開始され、1960年に完了しました。このマシンは5マイクロ秒/サイクル、つまり200kHzのクロックで動作し、当時のマシンとしてはかなり競争力がありました。浮動小数点加算は50～365マイクロ秒（μS）かかりました。最も長い命令である除算または平方根演算は、浮動小数点演算で5.3ミリ秒（ms）かかりました。整数加算は約200μSかかりましたが、その他の演算はハードウェアではなくサブルーチンで処理され、はるかに長い時間がかかりました。例えば、整数除算/平方根演算は8.2msかかりました。

記憶システム

このコンピュータは、すべてのストレージにコアメモリを使用しており、メモリドラムなどの「二次」システムは備えていなかった。通常、マシンのメモリは、複数のコアアセンブリ（「プレーン」とも呼ばれる）を積み重ねることによって構成され、各プレーンはマシンのワードの1ビットを保持する。例えば、DRTEのような40ビットワードの場合、システムは40のコアプレーンを使用する。アドレスの検索は、10ビットのアドレスをプレーンのXアドレスとYアドレスに変換することで行われる。DTREの1,024ワードの場合、32×32のプレーンが必要であった。

DRTEマシンでコアを使用する際の問題点の一つは、コアの動作にかなりの電力が必要だったことです。当時、低電力しか供給できなかったトランジスタからこのような電力を供給することは大きな課題でした。当時一般的に用いられていた解決策の一つは、コア機構を真空管で構成することでしたが、DRTEマシンにおいては、これはトランジスタ設計における新たな課題とみなされました。最終的に、リチャード・コボルドが中心となって設計した解決策は、完全にトランジスタベースであり、後に特許を取得しました。

コア設計に導入されたもう一つの改良点は、読み取り配線の処理です。コア内の位置を読み取るには、該当のアドレスに電力を供給します。これは、その位置に「1」を書き込む場合と同じです。コアが既に「1」を保持している場合は何も起こりません。しかし、コアが「0」を保持している場合は、電力供給によってコアの極性が「1」に変化します。この動作に使用される少量のエネルギーによって、別の配線である読み取り配線にパルスが出力されます。つまり、データを読み取るには、その位置に「1」を書き込みます。読み取り配線にパルスが出力された場合、その位置は元々「0」を保持していたことを意味し、パルスが出力されない場合は「1」を保持していたことを意味します。

このシステムの問題点の一つは、同じライン（X線またはY線）上の他のコアも非常に小さな信号を発し、探している信号を覆い隠してしまう可能性があることです。従来の解決策は、読み取りラインをプレーン内を斜めに配線することで、これらの小さな信号が打ち消し合うようにすることでした。つまり、一方のコアからの正信号は、もう一方のコアを反対方向に通過する際に負信号となるように配線するのです。しかし、この解決策はコアの配線を非常に困難にし、コア配線コストを改善するための様々な方法について、多大な研究が行われました。

コバルドの設計は、今にして思えば明らかな変更点と言えるでしょう。読み取り線がプレーンごとに1本ではなく、プレーンをまたいで配線されるようになったのです。このシステムでは、読み取り線は実際には1組の電力線のみを通過するため、「余分な信号」の問題は完全に回避されました。この解決策が以前に思いつかなかったのも無理はありません。コアはプレーンごとに構築され、その後配線されていましたが、この方法では読み取り線を追加する前にコア全体を構築する必要がありました。この設計の唯一の大きな欠点は、動作に必要な電力が増加することです。

入力/出力

DRTE設計におけるI/Oデバイスは非常に限られており、出力用のフレキソライタと、入力用の約600 CPSの紙テープリーダーで構成されていました。特に、システムでは、I/Oシステムにインラインで実装されたハードウェアの2進数から10進数、および10進数から2進数へのコンバータが追加されました。[ 2 ]これにより、紙テープに10進コードをパンチインすることができ、読み取り時に目に見えない形で2進数に変換されてメモリに保存されました。逆もまた同様で、マシンがメモリの内容を直接テープに印刷することができました。このシステムは、マシンが実質的に無料でデータを読み書きできるように調整されていました。つまり、システムは紙テープが送るのとまったく同じ速度でデータを読み取って保存することができました。

このシステムは、粗雑なアセンブラ言語サポートも提供していました。シフトキーを使ってシステムに入力された文字は、数値データではなくニーモニックとして扱われ、異なる方法で変換されました。例えば、「AA」という文字は2つの浮動小数点数を加算し、その数値は後続の2つの10進アドレスに格納されます。読み取り中、紙テープのシフト列はBDCデコーダに次のコードを無視するよう指示します。

ハードウェア実装は、最終的に反機能であることが明らかになりました。読み書きされるすべてのデータがバイナリデータの10進数表現であると仮定すれば、システムは完全に理にかなっています。しかし、データが他の形式、例えばより複雑なアセンブラ言語の文字コードである場合、結局は複雑さが増すだけで、最終的には無効にせざるを得なくなりました。アセンブラプログラミングが普及すると、このシステムは最終的に廃止されました。また、インターフェース速度を慎重に調整する必要があったため、接続できるデバイスの種類が大幅に制限されることもありました。

さらなる開発と利用

並列数学ユニット

1957年にプロトタイプの演算ユニットが完成するとすぐに、[ 3 ] 1ワード全体を並列処理する新しいユニットの開発が開始されました。この新しいユニットは、マシンの「完全版」（1960～61年）とほぼ同時期に完成し、後に設計に組み込まれました。これにより速度は約10倍向上し、例えば浮動小数点加算は300マイクロ秒からわずか40マイクロ秒に、乗算は2200マイクロ秒から180マイクロ秒に、平方根は5300マイクロ秒から510マイクロ秒に短縮されました。整数演算も同様にほぼ同程度向上しましたが、乗算などの「複雑な」演算はハードウェアではなくコードで実行されました。新しい演算ユニットにより、このマシンは当時の平均的なシステムよりも高速でしたが、IBM 7090のような「ハイエンド」マシンと比べると約2～5倍の速度でした。

他の研究用機器と同様に、DRTEシステムは様々な「家庭用」計算や、いくつかの簡単なコンピュータゲームの開発に使用されました。これらのゲームには、三目並べやハングマン、そして特定のフリップフロップにスピーカーを接続することで ボギー大佐のマーチを演奏できる簡単な音楽ジェネレーターなどが含まれていました。

ダール

1950年代後半、米国はSAGEシステムの導入を進めており、オーロラがレーダー運用に与える影響に関心を寄せるようになりました。最終的にDRBと米国空軍の間で協定が締結され、空軍は200万ドルを拠出して、レーダーシステムにおける米国の技術的優位性の多くを担っていたMITリンカーン研究所をモデルとしたレーダー研究センターを建設しました。

DRBは、チャーチル・ロケット研究場から500～600マイル（約800～900キロメートル）離れた場所を提案した。チャーチル・ロケット研究場は、既にロケット計画における大規模なオーロラ研究に使用されていた。このような場所であれば、ロケットの打ち上げを追跡することで、レーダーによるオーロラの影響を直接測定できる。最終的にサスカチュワン州プリンス・アルバート郊外の敷地が選ばれた。これは、そこが首相ジョン・ディーフェンベーカーの地元選挙区だったためだと考えられている。新しい敷地は1959年6月に開設され、プリンス・アルバート・レーダー研究所（PARL）として知られた。

DRTEは試験運転中にデータを迅速に記録するため、DAR（デジタルアナライザ＆レコーダ）と呼ばれるカスタムシステムを構築しました。DARは非常に優先度の高いプロジェクトであったため、元々DRTEのコンピュータに携わっていた人員の一部がDARに投入されました。このマシン自体は、データを40,000ビットのコアメモリに読み込み、タイムコードなどの情報をタグ付けし、磁気テープに書き込む非プログラム可能なコンピュータで構成されていました。DARは長年使用されましたが、1962年の火災により再建されました。

アルエット

1958年、DRBはNASAに対し、宇宙から地球の電離層を測定する「トップサイドサウンダー」の打ち上げを提案した。これは当時、重要な課題であった。DRBは超長距離通信システム（後にミッドカナダ線とDEW線で使用される）の構築を目指し、大規模な電離層研究プログラムを実施していた。このシステムについて意見を述べた米国の様々な機関は、DRBがそのような装置を製造できるかどうかに強い懐疑心を示したものの、自国のはるかにシンプルな設計のバックアップとして、とにかくそれを実現しようと提案した。結局、米国の設計は大幅な遅延に見舞われ、「先進的すぎる」とされたカナダの設計が、1962年にアルエット1号として打ち上げられた。

アルエットの設計中、システムに電力を供給する太陽電池の寿命に関する大きな疑問が、DRTEのコンピュータによって解決されました。彼らは、衛星の軌道における歳差運動の影響をシミュレートするプログラムを開発し、この情報を用いて太陽光が衛星に当たる時間の割合を計算しました。その結果、システムは十分すぎるほどの電力を供給できることが証明されました。当初は寿命が1年と想定されていましたが、アルエットIは最終的に10年間稼働した後、停止されました。

このコンピュータは、アルエットからデータをダウンロードするオタワの受信用パラボラアンテナの追跡コマンド生成にも使用されました。アンテナは「真上」を追尾することができず、反対側の地平線まで追跡するには180度回転する必要がありました。この動きは、紙テープを読み取るシンプルなシステムによって制御されました。コンピュータはテープを作成し、パラボラアンテナが衛星を追尾しながらゆっくりと回転するようにすることで、「デッドタイム」の発生を防止しました。最終的に、あらゆる通過に対応できるテープのライブラリが構築されました。

参考文献

  1. ^ 「DRTEコンピュータ」friendsofcrc.ca .注3. 2017年12月28日閲覧。
  2. ^ a b https://ieeexplore.ieee.org/document/279230/ Dirty Gertie: The DRTE Computer、2018年1月17日閲覧。
  3. ^ 「DRTEコンピュータ」friendsofcrc.ca . 2017年12月28日閲覧。
「 https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=DRTE_Computer&oldid=1322751035」から取得