アトラス（コンピュータ）

アトラス

1963年1月のマンチェスター大学地図帳
製品ファミリー	マンチェスターコンピューター
発売日	1962
販売数	3 (+ 3アトラス 2 )

アトラスは世界初のスーパーコンピュータの1つで、1962年（当時は世界最強のコンピュータとされていた）から1972年まで使用されていた。^[1]アトラスの能力は、オフラインになると英国のコンピュータ能力の半分が失われたと言われるほどだった。^[2]ページング技術を使用した仮想メモリ（当時は「ワンレベルストア」[3]と呼ばれていた）を搭載した最初のマシンであることで有名で、このアプローチ^は急速に普及し、現在ではいたるところで使用されている。

アトラスは、個別のゲルマニウムトランジスタを使用した第 2 世代のコンピュータです。アトラスは、マンチェスター大学、フェランティ、プレッシーの共同開発によって作成されました。他の 2 台のアトラス マシンが製造されました。1 台はBPとロンドン大学向け、もう 1 台はオックスフォード近郊のチルトンにあるアトラス コンピュータ研究所向けでした。

派生システムはフェランティによってケンブリッジ大学向けに構築された。タイタン、またはアトラス2 ^[4]と呼ばれたこのシステムは、異なるメモリ構成を持ち、ケンブリッジ大学コンピュータ研究所が開発したタイムシェアリングオペレーティングシステムを実行した。さらに2台のアトラス2が納入され、1台はケンブリッジのCADセンター（後にCADCentre、当時はAVEVAと改名）に、もう1台はアルダーマストンの原子兵器研究施設（AWRE）に納入された。

マンチェスター大学のアトラスは1971年に廃止された。^[5]最後のアトラスであるCADCentreマシンは1976年後半に電源が切られた。 ^[6]チルトンアトラスの一部はエディンバラのスコットランド国立博物館に保存されており、メインコンソール自体は2014年7月に再発見され、オックスフォード近郊のチルトンにあるラザフォードアップルトン研究所に保管されている。

1956年を通じて、英国はコンピュータ開発において米国に遅れをとっていることへの認識が高まった。4月、フェランティのBWポラードはコンピュータ会議で「英国には中速コンピュータが数多くあるが、本当に高速なのはケンブリッジEDSAC 2とマンチェスターマーク2の2台だけだが、どちらも米国の最速のマシンに比べるとまだかなり遅い」と述べた。 ^{[7]これに続いて、5月に}科学産業研究省の高速計算機諮問委員会（通称ブラント委員会）に提出された報告書でも同様の懸念が表明された。 ^[8]

この時期、マンチェスター大学のトム・キルバーンのチームはトランジスタベースのシステムの実験を行っており、さまざまな技術をテストするために2台の小型マシンを製作していた。これは明らかに前進の道であり、1956年秋、キルバーンは新しいトランジスタベースのマシンにどのような機能を求めるか、潜在的な顧客を調査するようになった。ほとんどの商業顧客は、さまざまな周辺機器をサポートする必要性を指摘したが、原子力庁は、 1マイクロ秒ごとに命令を実行できるマシン、^{[9]または今日では1 MIPSとして知られる性能を持つマシンを提案した。この後の要求により、将来の設計は}マイクロ秒エンジンの略称であるMUSEと名付けられた。^[10]

多くの周辺機器をサポートする必要性と高速に動作する必要があることは、当然相反するものです。たとえば、カードリーダーからのデータを処理するプログラムは、ほとんどの時間をリーダーが次のデータビットを送信するのを待つことに費やします。中央処理装置(CPU) を効率的に使用しながらこれらのデバイスをサポートするには、新しいシステムにデータをバッファリングするための追加のメモリと、システム全体のデータの流れを調整できるオペレーティングシステムが必要です。 ^[11]

ブラント委員会は、新しくはるかに高速な米国の設計であるユニバックLARCとIBM STRETCHについて聞き、戦時中の研究グループから技術を市場に出す責任を負っていた国立研究開発法人（NRDC）の注目を集めることができました。その後18か月間、彼らは見込み顧客、フェランティとEMIのエンジニアリングチーム、マンチェスターと王立レーダー研究所の設計チームと数多くの会議を開催しました。^[11]

こうした努力にもかかわらず、1958 年の夏になっても、NRDC からの資金提供は得られなかった。キルバーンは、さまざまなコンセプトを実験するために、より小型の Muse を製作することで、計画を進めることにした。この費用は、大学の Mark 1 を貸し出すことで資金を集めた Mark 1 Computer Earnings Fund からの資金で賄われた。プロジェクトが始まって間もない 1958 年 10 月、フェランティが参加することにした。1959 年 5 月、彼らは NRDC からシステム製作のための 30 万ポンドの助成金を受け、その資金は販売収益から返還されることになっていた。このプロセスの途中で、このマシンは Atlas と改名された。^[11]

1959年末までに詳細な設計が完了し、コンパイラの構築が進められていたが、Supervisorオペレーティングシステムはすでに大きく遅れていた。^[12]このため、フェランティに新しく雇われたデイビッド・ハワースは、オペレーティングシステムチームを2人から6人のプログラマーに拡大した。^{[誰が？ ]}精力的で精力的なハワース（22歳で物理学の博士号を取得した）が率いた、い​​わゆるヘラクレスの努力によって、チームは最終的に、周辺機器処理の問題を解決するためにマルチプログラミングをサポートする35,000行のアセンブラ言語で構成されるSupervisorを完成した。 ^[13]

最初の Atlas は 1962 年を通して大学で構築されました。スケジュールは、12 月末にFerranti Mercuryマシンが計画的に停止されたため、さらに制約されました。Atlas はこの目標を達成し、12 月 7 日にAEA のディレクターであるJohn Cockcroftによって正式に運用が開始されました。 ^[13]このシステムには Supervisor の初期バージョンしかなく、唯一のコンパイラはAutocode用でした。Supervisor の最終バージョンがインストールされ、 ALGOL 60とFortranのコンパイラがインストールされたのは 1964 年 1 月になってからでした。^[14]

1960年代半ばまでに、このオリジナルのマシンは1日20時間のスケジュールで継続的に使用され、その間に1,000ものプログラムが実行されることもありました。時間は大学とフェランティの間で分割され、フェランティは顧客に1時間あたり500ポンドを請求しました。この一部は大学のコンピュータ収益基金に返還されました。^[14] 1969年には、大学が受け取ったコンピュータ時間をオープンマーケットでリースした場合のコストは72万ポンドになると推定されました。マシンは1971年11月30日にシャットダウンされました。^[15]

フェランティは、他の2つのアトラス設備を売却した。1つは1963年にロンドン大学とBPの共同事業体に、もう1つは1964年12月に原子力研究所（ハーウェル）に売却された。AEAのマシンは後に、ハーウェルの境界フェンスから数ヤード離れたチルトンのアトラスコンピュータ研究所に移された。これにより、民間の土地に置かれ、アクセスが容易になった。この設備は、48kWordの48ビットコアメモリと32のテープドライブを備え、最大のアトラスとなった。時間は英国のすべての大学で利用可能になった。1974年3月に閉鎖された。^[16]

1962年2月、フェランティはアトラスマシンの一部をケンブリッジ大学に提供し、見返りとして大学はそれを使ってシステムのより安価なバージョンを開発することとなった。その結果がタイタンマシンであり、1963年夏に運用可能となった。フェランティはこの設計をさらに2台、アトラス2という名前で販売した。1台は1963年に原子兵器研究施設（アルダーマストン）に、もう1台は1966年に政府支援のコンピュータ支援設計センターに販売した。^[17]

Atlas は、米国の LARC および STRETCH プログラムへの対応として設計されました。最終的に、LARC は 1961 年に、STRETCH は Atlas より数か月早く、両方とも Atlas より公式に採用されました。Atlas は LARC より約 4 倍高速で、STRETCH よりわずかに低速でした。Atlas は 2 つの浮動小数点数を約 1.59 マイクロ秒で加算しましたが、^[14] STRETCH は同じことを 1.38 ～ 1.5 マイクロ秒で行いました。それでも、フェランティのソフトウェア部門の責任者であるヒュー・デボナルドは 1962 年に次のように語っています。「Atlas は実際に世界で最も強力なコンピューティング システムであると主張されています。このような主張は、Atlas とその競合製品に同時に同様の大規模な代表的なコンピューティング ジョブ セットが提示された場合、Atlas が他のすべてのコンピューターよりも先にそのセットを完了することを意味します。」^[18] LARCのさらなる販売は試みられず、^[17] STRETCHマシンが最終的に何台生産されたかは明らかではない。

1964年にCDC 6600が登場して初めて、アトラスは大きく上回られた。CDCは後に、1959年のMuseの説明がCDCにアイデアを与え、6600の開発を大幅に加速させ、当初の見積もりよりも早く納品することを可能にしたと述べた。^[17]これにより、当初アトラスの購入を検討していたオーストラリアのCSIROとの契約を獲得することになった。 ^[17]

フェランティは1960年代初頭に深刻な財政難に陥り、1963年にコンピュータ部門をインターナショナル・コンピューター・アンド・タビュレーターズ（ICT）に売却することを決定した。ICTは、カナダのフェランティ・パッカード6000をベースにした柔軟なマシンシリーズであるICT 1900シリーズ^[19]で中価格帯の市場に注力することを決定した。

Atlas はコンピュータ業界の多くの人々から高く評価されました。その崇拝者の一人であるDigital Equipment CorporationのC. Gordon Bellは、後に次のように賞賛しました。

アーキテクチャーの面では、マンチェスター・アトラスは模範的でした。それは、私たちが構築した大型マシンだったからではなく、優れた設計原則を数多く示していたからです。アトラスは、ユーザーとオペレーティングシステム間のインターフェイスが明確に定義されたマルチプログラムで、非常に大きなアドレス空間を持ち、命令セットの機能を拡張するための追加コードの概念を導入しました。^[20]

2022年6月、IEEEマイルストーンが「アトラスコンピュータと仮想メモリの発明 1957-1962」に授与されました。^[21]

このマシンには多くの革新的な機能がありましたが、主な動作パラメータは次のとおりです (ストア サイズはマンチェスターの設置に関連し、他のマシンはそれよりも大きくなっています)。

• 48 ビットの ワード サイズ。1 つのワードには、1 つの浮動小数点数、1 つの命令、2 つの 24 ビット アドレスまたは符号付き整数、または 8 つの 6 ビット文字を保存できます。
• 桁上げの伝播時間を最小限に抑えるために新しい回路を使用した高速加算器。
• スーパーバイザー（「神聖」）ストア、Vストア、固定ストア、およびユーザーストアを含む24ビット（200万語、1600万文字）のアドレス空間
• 16Kワードのコアストア（ 96KBに相当）、奇数/偶数アドレスのインターリーブ機能付き
• 8 Kワードの読み取り専用メモリ (固定ストアと呼ばれます)。これには、スーパーバイザとエクストラコード ルーチンが含まれています。
• 96Kワードのドラムストア（576KB相当）は4つのドラムに分割されていますが、仮想メモリを使用してコアストアと統合されています。ページサイズは512ワード、^[22]つまり3072バイトです。^{[23] [24]}
• 128 個の高速インデックス レジスタ(B ライン) は、主に二重変更命令のアドレス変更に使用できます。レジスタ アドレス空間には、エクストラコード オペランド アドレスや浮動小数点 アキュムレータの指数などの特殊レジスタも含まれています。128 個のレジスタのうち 3 つはプログラム カウンタレジスタです。125 はスーパーバイザ (割り込み) 制御、126 はエクストラコード制御、127 はユーザー制御です。レジスタ 0 は常に値 0 を保持します。
• 磁気テープやダイレクトメモリアクセス（DMA）機能など、当時としては高度な新しい周辺機器を追加する機能
• 特別なワイヤードストアアドレスの読み取りと書き込みによる、V ストアアドレス (メモリマップ I/O )、割り込み、およびエクストラコードルーチンを介した周辺機器の制御。
• 目的の仮想メモリ位置がコアストアにあるかどうかを判断するためのページアドレスレジスタの連想メモリ（コンテンツアドレス可能メモリ）
• 命令パイプライン

Atlas は同期クロック メカニズムを使用しておらず、非同期プロセッサであったため、パフォーマンスの測定は簡単ではありませんでしたが、例を挙げると次のようになります。

• 固定小数点 レジスタ加算 – 1.59マイクロ秒
• 浮動小数点加算、変更なし – 1.61 マイクロ秒
• 浮動小数点加算、倍精度浮動小数点変更 – 2.61 マイクロ秒
• 浮動小数点乗算、倍精度浮動小数点演算 – 4.97 マイクロ秒

Atlas の 1 つの特徴は、複雑な命令をソフトウェアで実装できるようにする技術である「エクストラコード」でした。専用ハードウェアにより、エクストラコード ルーチンへのエントリとリターン、およびオペランド アクセスが高速化されました。また、エクストラコード ルーチンのコードは ROM に格納され、コア ストアよりも高速にアクセスできます。

48 ビットの Atlas マシン命令の上位 10ビットは、オペレーション コードです。最上位ビットが 0 に設定されている場合、これはハードウェアによって直接実行される通常のマシン命令です。最上位ビットが 1 に設定されている場合、これはエクストラコードであり、固定ストア ( ROM ) 内の場所への特殊な種類のサブルーチンジャンプとして実装され、そのアドレスは他の 9 ビットによって決定されます。可能な 512 個のエクストラコードのうち、約 250 個のエクストラコードが実装されました。

エクストラコードは、今日ではソフトウェア割り込みまたはトラップと呼ばれるものです。これらは、正弦、対数、平方根など、ハードウェアで実装するには非効率すぎる数学的手順を呼び出すために使用されました。しかし、コードの約半分はスーパーバイザ関数として指定され、オペレーティングシステムの手順を呼び出しました。典型的な例は、「指定されたストリームに指定された文字を印刷する」または「論理テープ N から 512 ワードのブロックを読み取る」です。エクストラコードは、プログラムがスーパーバイザと通信できる唯一の手段でした。当時の他の英国製マシン、たとえばFerranti Orionにも、オペレーティングシステムのサービスを呼び出す同様のメカニズムがありました。

Atlasは、今日でも一般的に使用されている多くのソフトウェアコンセプトの先駆者であり、その中には「多くの人に最初の認識可能な現代のオペレーティングシステムであると考えられている」 Atlas Supervisorも含まれています。^[25]

Atlas で利用できる最初の高級言語の 1 つはAtlas Autocodeという名前で、Algol 60 と同時期に開発され、Tony Brooker がAlgol 60 の欠陥と感じた点に対処するために特別に作成されました。ただし Atlas はAlgol 60 のほか、FortranやCOBOL 、ABL (Atlas Basic Language、マシン語に近い記号入力言語) もサポートしていました。大学のコンピューターであったため、保護されたマシン コード開発環境 にアクセスできた多くの学生が利用しました。

いくつかのコンパイラは、この種の最初のものと考えられている Brooker Morris Compiler Compiler (BMCC) を使用して作成されました。

また、SPG (System Program Generator) と呼ばれるプログラミング言語もありました。実行時に、SPG プログラムは自分自身でより多くのプログラムをコンパイルできました。マクロを定義して使用できました。変数は <山括弧> で囲まれ、テキスト パーサーがあり、SPG プログラム テキストはBackus-Naur 形式に似ていました。

Atlas は当初から、包括的なオペレーティング システムを含むスーパーコンピュータとして構想されていました。ハードウェアには、オペレーティング システムの動作を容易にする特定の機能が含まれていました。たとえば、エクストラコード ルーチンと割り込みルーチンにはそれぞれ専用のストレージ、レジスタ、プログラム カウンターがあり、ユーザー モードからエクストラコード モードまたはエグゼクティブ モードへのコンテキスト スイッチ、またはエクストラコード モードからエグゼクティブ モードへのコンテキスト スイッチが非常に高速でした。

• マンチェスターコンピュータ – プログラム内蔵型電子コンピュータのシリーズ
• Atlas Supervisor  – 最初のオペレーティング システム
• スーパーコンピューティングの歴史

• T. Kilburn、DBG Edwards、D. Aspinall (1959年9 月)。「デジタル コンピュータの並列加算: 新しい高速「キャリー」回路」。Proceedings of the IEE - Part B: Radio and Electronic Engineering。106 ( 29): 464–466。doi : 10.1049/pi-b-2.1959.0316。
• FH Sumner、G. Haley、ECY Chen。「「Atlas」コンピュータの中央制御ユニット」。情報処理 1962、議事録。IFIP 会議 '62。pp. 657–663。
• Kilburn, T.; Edwards, DBG; Lanigan, MJ; Sumner, FH (1962 年 4 月)。「ワンレベル ストレージ システム」(PDF)。IRE Transactions on Electronic Computers (2): 223–235。doi : 10.1109/TEC.1962.5219356。2023年6 月 16 日に閲覧。
• Kilburn, T. (1961 年 3 月 1日)。「マンチェスター大学 Atlas オペレーティング システム パート I: 内部構成」。 コンピュータジャーナル。4 (3): 222–225。doi : 10.1093 /comjnl/4.3.222。ISSN 0010-4620。
•  Howarth, DJ (1961 年3月 1日)。「マンチェスター大学 Atlas オペレーティング システム パート II: ユーザーによる説明」。コンピュータ ジャーナル。4 (3): 226–229。doi : 10.1093 /comjnl/4.3.226。ISSN 0010-4620。
• T. Kilburn、RB Payne、DJ Howarth ( 1962)。「The Atlas Supervisor」。1961 年 12 月 12 ～ 14 日開催の Eastern Joint Computer Conference の議事録: Computers - Key to Total Systems Control。Macmillan。pp . 279 ～ 294。doi :10.1145/1460764.1460786。
• DJ Howarth、PD Jones、MT Wyld (1962年11 月)。「Atlas スケジューリング システム」。コンピュータ ジャーナル。5 (3): 238–244。doi : 10.1093/ comjnl /5.3.238。
• ラウル・ロハス、ウルフ・ハシャゲン編 (2000)。『最初のコンピュータ：歴史とアーキテクチャ』MIT プレス。ISBN 0-262-18197-5。
• MRウィリアムズ（1997年）。コンピューティング技術の歴史。IEEEコンピュータ協会出版。ISBN 0-8186-7739-2。

• Atlas Autocode リファレンスマニュアル 2020 年 5 月 15 日、Wayback Machineにアーカイブされました
• アトラス スーパーバイザー論文 (T キルバーン、RB ペイン、DJ ハワース、1962 年)
• http://bitsavers.informatik.uni-stuttgart.de/pdf/ict_icl/atlas/ (参考資料多数)
• フェランティ アトラス 1 & 2: 参考文献一覧