DRTE コンピュータ

DRTEコンピュータは、カナダ国防研究委員会の一部である防衛研究電気通信研究所（DRTE）で構築されたトランジスタコンピュータです。これは初期の完全にトランジスタ化されたマシンの1つであり、1957年にプロトタイプの形で動作し、1960年に完全に開発された形になりました^{。[1]パフォーマンスは非常に優れており、} PDP-1などの同時代のマシンに匹敵しましたが、商業ベンダーはこの設計を採用しませんでした。カナダ海軍の太平洋海軍研究所への唯一の販売の可能性もありましたが、失敗に終わりました。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す。

1950 年代初頭、ほとんどの電子機器でトランジスタが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実際の特性が真空管ごとに大きく異なっていました。エンジニアは、回路全体がこれらの変化に過度に敏感にならないようにし、トラブルを起こさずに交換できるようにする技術を開発していました。トランジスタ ベースのシステムでは、同じ技術がまだ開発されていませんでした。単に新しすぎたからです。小さな回路は「手作業で調整」して動作させることができましたが、多数のトランジスタを使用する大規模なシステムはよく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した。真空管の価格は 1 本あたり約 0.75 ドルでしたが、同様のトランジスタは約 8 ドルでした。このため、ほとんどの企業が実行できる実験の量は限られていました。

DRTE はもともと通信システムを改善するために設立され、この目的のために、ノーマン・ムーディの指導の下、新しい電子研究所で複雑な回路にトランジスタを使用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、電子研究所はトランジスタの分野における主要な研究センターとなり、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企業から訪問したエンジニアに知識を伝えることができました。

最終的にコンピュータが完成するきっかけとなった重要な開発は、すべてのコンピュータ システムの主要コンポーネントである新しいタイプのフリップフロップ回路をムーディーが発明したことであった。ムーディーの設計では、背中合わせに接続された PNP トランジスタと NPN トランジスタで構成されるPNPN 接合が使用されていた。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た。これはもともと真空管ベースの概念であり、真空管をトランジスタに置き換えて使用されていた。PNPN 回路ははるかに高い出力を提供し、追加のアンプなしでより多くの「下流」回路を駆動することができた。全体的な効果として、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た。ムーディーは 1956 年にこの回路を公開した。

後になって気付いた欠点の 1 つは、ムーディーのフリップフロップの電流消費がバランスが取れておらず、そこに異なる数値を格納すると、電源に必要な電流が大幅に異なる可能性があることです。一般的に、このような変化する負荷は、電力消費が増減するときに発生するノイズを減らすために、可能な限り避けるべきものです。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ことがあります。

公式の推奨ではなかったようですが、1950 年代半ばまでに DRTE は、複雑なシステムでトランジスタ技術を実際に開発する最善の方法はコンピューターを構築することであると判断しました。これは当時、DRTE が自ら使用するために必要としていたものではなく、他のシステムではほとんど不可能な、DRTE の能力をテストする非常に複雑なシステムの例に過ぎませんでした。しかし、開発が進むにつれて、関与するエンジニアの多くは、電子工学よりもコンピューター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、最終的にはグループと資金提供者である DRB 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使用し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よるところが大きいという結論に達しました。より強力な設計にはより多くの真空管が必要となり、焼損がより頻繁に発生することを意味しました。SAGE など、非常に大規模なマシンが数多く製造されていましたが、ほとんどのマシンは稼働時間を改善するためにはるかに小型でした。トランジスタによってこの制限はなくなり、より多くのトランジスタの価格を支払う意思があれば、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製造できるようになりました。トランジスタの価格は常に低下していたため、フロリダの設計には科学的なマシンで役立つと思われるすべての機能が盛り込まれました。

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。システムにはアキュムレータが含まれず、すべての操作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。

フロリダは以前、マンチェスター マーク 1を製作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、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 2^10 = 1024 40 ビット ワード、つまり現代の用語で 40 KB になった。整数は 39 ビットと符号に 1 ビットを使用し、浮動小数点数は 8 ビット指数と符号に 1 ビット、32 ビット仮数と符号に 1 ビットを使用した。フロリダは、2 つのパラメータと結果のアドレスを含む 3 アドレス命令形式の方が、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感じた。

実験版のマシンは、基本的な数学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。マシンは 5 マイクロ秒/サイクル ロック、つまり 200 kHz 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。浮動小数点加算には 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は、浮動小数点に 5.3 ミリ秒 (ms) かかりました。整数加算には約 200 μS かかりましたが、他の操作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。たとえば、整数除算/平方根には 8.2 ms かかりました。

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」システムはありません。通常、マシンのメモリは、多数のコア アセンブリ、つまり「プレーン」を積み重ねて構築され、各プレーンはマシンのワードの 1 ビットを保持します。たとえば、DRTE のような 40 ビット ワードの場合、システムは 40 のコア プレーンを使用します。アドレスは、各 10 ビット 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によって検索されます。DTRE の 1,024 ワードの場合、これには 32×32 のプレーンが必要でした。

DRTE マシンでコアを使用する際の 1 つの問題は、コアが動作するためにかなり高い電力を必要とすることでした。当時は低電力しか供給できなかったトランジスタからそのような電力を供給することは大きな課題でした。当時一般的に使用されていた 1 つの解決策は、コア マシンをチューブで構築することでしたが、DRTE マシンの場合、これはトランジスタ設計におけるもう 1 つの課題と見なされました。最終的に、主に Richard Cobbald によって設計された解決策は完全にトランジスタ ベースで、後に特許を取得しました。

コア設計に導入されたもう 1 つの改善点は、読み取りワイヤの処理です。コア内の位置の読み取りは、その位置に「1」を書き込む場合と同様に、問題のアドレスに電力を供給することで行われます。コアがすでに「1」を保持している場合は何も起こりません。ただし、コアが「0」を保持している場合は、電力によってコアの極性が「1」に変更されます。これを行うために使用される少量のエネルギーにより、別のワイヤである読み取りラインにパルスが出力されます。したがって、データを読み取るには、その位置に「1」を書き込みます。読み取りラインにパルスが見られる場合、その位置は元々「0」を保持しており、パルスがない場合は「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 1 つは、同じライン (X または Y) 上の他のコアも非常に小さな信号を発し、探している信号をマスクしてしまう可能性があることです。従来の解決策は、読み取りラインを平面内で斜めに配線し、これらの小さな信号が打ち消されるようにすることでした。つまり、ワイヤが反対方向に通過するときに、1 つのコアからの正の信号は次のコアからの負の信号になります。ただし、この解決策ではコアの配線がかなり難しくなり、コアの配線コストを改善するさまざまな方法についてかなりの研究が行われました。

コバルトの設計では、振り返ってみると明らかな変更が行われました。読み取りワイヤがプレーンごとに 1 本ではなく、プレーン全体に渡って配線されました。このシステムでは、読み取りワイヤは実際には 1 セットの電力線のみを通過し、"余分な信号" の問題は完全に回避されました。このソリューションが以前に思いつかなかったのもまったく不思議ではありません。コアは一度に 1 プレーンずつ構築され、その後で配線されていましたが、この方法では読み取りワイヤ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、動作により多くの電力が必要になることです。

DRTE設計のI/Oデバイスは、出力用のフレキソライターと、入力用の約600 CPSの紙テープリーダーで構成されており、非常に限られていました。特に、システムでは、I/Oシステムと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、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進コードがパンチされ、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るようになりました。逆もまた真であり、マシンがメモリの内容を直接テープに印刷することも可能でした。システムは、マシンが基本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、紙テープがデータを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、アセンブラ言語の粗雑なサポートも提供していました。シフト キーを使用すると、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を表し、別の方法で変換されます。たとえば、文字「AA」は 2 つの浮動小数点数を加算し、その数値は 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 カラムは BDC デコーダに次のコードを無視するように指示します。

ハードウェア実装は、結局は反機能であることが判明しました。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ると、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、たと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、単に複雑さが増すだけになり、その後無効にする必要が生じました。アセンブラ プログラミングが一般的になるにつれて、このシステムは最終的に削除されました。また、インターフェイス速度を慎重に調整する必要があるため、接続できるデバイスの種類が大幅に制限されました。

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 ワード全体を並列に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「フル バージョン」(1960 ～ 1961 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、速度が約 10 倍向上しました。たとえば、浮動小数点加算は 300 μs から 40 μs に、乗算は 2200 μs から 180 μs に、平方根は 5300 μs から 510 μs に改善されました。整数演算も同様にほぼ同じ割合で改善されましたが、乗算などの「複雑な」演算はハードウェアではなくコードに残されました。新しい演算ユニットにより、マシンは平均的な当時のシステムよりは高速でしたが、IBM 7090などの「ハイエンド」マシンよりは 2 ～ 5 倍ほど低速でした。

他の研究用マシンと同様に、DRTE システムは、数多くの「家庭用」計算や、数多くの簡単なコンピュータ ゲームの開発に使用されました。これには、三目並べやハングマン、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 コロンエル ボギー マーチを再生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。

1950年代後半、米国はSAGEシステムを展開している最中で、オーロラがレーダーの運用に与える影響に興味を持ち始めた。最終的にDRBと米国空軍の間で協定が締結され、空軍は200万ドルを投じて、レーダーシステムで米国の技術的優位性の多くを提供していたMITのリンカーン研究所をモデルにしたレーダー研究センターを建設した。

DRBは、すでにロケットプログラムで大規模なオーロラ研究に使用されていたチャーチルロケット研究場から500〜600マイル離れた場所を提案した。そ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、レーダーがオーロラのレーダーへの影響を直接測定できるだろう。最終的に、サスカチュワン州プリンスアルバート郊外の場所が選ばれたが、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言われている。新しい場所は、プリンスアルバートレーダー研究所、またはPARLとして1959年6月にオープンした。

試験運転中にデータを素早く記録するため、DRTE はDAR (デジタルアナライザーおよびレコーダー)と呼ばれるカスタム システムを構築しました。DAR はかなり優先度の高いプロジェクトであり、元々 DRTE コンピューターで作業していた人員の一部が代わりに DAR に配置されました。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、タイムコードやその他の情報でタグ付けしてから、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ーで構成されていました。DAR は数年間使用されましたが、1962 年の火災後に再構築する必要がありました。

1958 年、DRB はNASAに「トップサイド サウンダー」を打ち上げる提案書を提出しました。これは宇宙から地球の電離層を測定するものです。これは当時、重要な話題でした。DRB は超長距離通信システム (後にミッドカナダ ラインとDEW ラインで使用される) を構築するために、大規模な電離層研究プログラムを実施していました。このシステムについてコメントした米国のさまざまな機関は、DRB がそのような装置を構築できるかどうかに非常に懐疑的でしたが、それでも、はるかに単純な独自の設計のバックアップとして、そうすることを提案しました。結局、米国の設計は大幅に遅れ、最終的に「先進的すぎる」カナダの設計が 1962 年にAlouette Iとして打ち上げられました。

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 のコンピュータで解決されました。彼らは、衛星の軌道に対す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、この情報を使用して太陽光が当たる時間の割合を計算しました。その結果、システムは十分以上の電力を供給できることが証明されました。アルエット I は、寿命がわずか 1 年と設計されていましたが、最終的には停止されるまで 10 年間稼働しました。

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を生成するためにも使用されました。アンテナは「真上」を追跡することができず、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単純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、衛星を追跡しながらパラボラアンテナをゆっくりと回転させることで、「デッドタイム」がないようにしました。最終的に、あらゆる通過に備えてテープのライブラリが構築されました。

• DRTE コンピュータ - マシンとその歴史に関する詳細な記事。この記事は、1985 年に John Vardalas がカナダ科学技術博物館向けに執筆した未発表のレポートに基づいています。
• ダーティ ガーティ: DRTE コンピュータ - リンダ ペティオによる短い記事
• プリンスアルバートレーダー研究所