マンチェスターベイビー

マンチェスターベイビー

マンチェスターのキャッスルフィールドにある科学産業博物館にある赤ちゃんのレプリカ
別名	小型実験機
開発者	フレデリック・カランド・ウィリアムズ トム・キルバーン ジェフ ・トゥーティル
製品ファミリー	マンチェスターコンピューター
発売日	1948年6月21日; 76年前 ( 1948-06-21 )
メモリ	1キロビット（1,024ビット）
後継	マンチェスター マーク 1

マンチェスターベイビーは、小規模実験機（SSEM）^[1]とも呼ばれ、世界初の電子式プログラム格納式コンピュータでした。マンチェスター大学のフレデリック・C・ウィリアムズ、トム・キルバーン、ジェフ・トゥーティルによって製作され、1948年6月21日に最初のプログラムを実行しました。^[2]

ベイビーは実用的な計算エンジンとしてではなく、最初の真のランダムアクセスメモリであるウィリアムズ管のテストベッドとして設計された。作成から50年後に「小さく原始的」と評されたベイビーは、現代の電子デジタルコンピュータに不可欠なすべての要素を備えた最初の実用的なマシンであった。^{[3]ベイビーが設計の実現可能性を実証するとすぐに、大学でそれを本格的な運用マシンである}マンチェスターマーク1に開発するプロジェクトが開始された。マーク1はすぐにフェランティマーク1のプロトタイプとなり、世界初の市販汎用コンピュータとなった。^{[4] [5]}

Baby は 32ビットの ワード長と32 ワード (1キロビット、1,024 ビット)のメモリを持っていた。これは可能な限り単純なプログラム内蔵型コンピュータとなるように設計されたため、ハードウェアで実装された算術演算は減算と否定のみで、その他の算術演算はソフトウェアで実装された。このマシン用に書かれた 3 つのプログラムのうち最初のものは、2 ^{18より小さい}すべての整数をテストして、2 ¹⁸の最大の真除数 (262,144)を計算した。このアルゴリズムは実行に長い時間がかかり、除算が除数の繰り返し減算で実装されていたため、コンピュータの信頼性を証明した。このプログラムは 17 の命令で構成され、Baby が約 350 万回の演算 (実効 CPU 速度は1 秒あたり約 1100 命令) を実行した後、正解の 131,072 に到達するまでに約 52 分かかった。^[2]

プログラム制御コンピュータの最初の設計は、1830年代のチャールズ・バベッジの解析機関であり、アダ・ラブレスがベルヌーイ数を計算する最初の理論的プログラムのアイデアを思いついた。1世紀後の1936年、数学者アラン・チューリングは、機械計算の限界を探ることを目的とした理論的概念であるチューリングマシンと呼ばれるものの説明を公開した。チューリングが想像していたのは物理的な機械ではなく、テープヘッドの下を移動するテープによって提供される指示に従って動作する「コンピュータ」と呼ばれる人物だった。チューリングは、数学的問題を解くアルゴリズムを記述できる場合、チューリングマシンはそのアルゴリズムを実行できることを証明した。^[6]

コンラート・ツーゼのZ3 は、バイナリデジタル演算ロジックを備えた世界初のプログラム可能な全自動コンピュータであったが、チューリングマシンのような条件分岐はなかった。1941 年 5 月 12 日、Z3 はベルリンのドイツ航空研究所の科学者たちに無事披露された。^[7] Z3 はプログラムを外部テープに保存していたが、電子式ではなく電気機械式であった。最も初期の電子計算装置は、 1942 年にテストに成功したアタナソフ・ベリー コンピュータ(ABC) と1943 年のColossusであったが、どちらもプログラム内蔵型マシンではなかった。^{[8] [9]}

ENIAC (1946)は、電子式かつ汎用的な初の自動コンピュータでした。条件分岐を備えたチューリング完全で、幅広い問題を解くようにプログラム可能でしたが、プログラムはマシンで変更可能なメモリではなく、パッチコード内のスイッチの状態で保持されていたため、再プログラムに数日かかることもありました。^[3]チューリングやツーゼなどの研究者は、コンピュータのメモリを使用してプログラムと作業中のデータを保持するというアイデアを調査しました。^[10]そして、数学者のジョン・フォン・ノイマンは、現在でもほとんどすべてのコンピュータで使用されているそのコンピュータアーキテクチャについて説明した論文を執筆し、広く配布されました。^[11]

フォン・ノイマン型コンピュータの構築は、プログラムを格納するのに適したメモリ デバイスが利用可能かどうかにかかっていました。第二次世界大戦中、レーダー信号から乱雑なノイズを除去する問題に取り組んでいた研究者は、遅延線メモリの一種を開発していました。その最初の実用化は、J. プレスパー・エッカートが開発した水銀遅延線でした^[12]。レーダー送信機は、規則的に短い無線エネルギー パルスを送信し、その反射が CRT 画面に表示されます。オペレーターは通常、移動するターゲットにのみ関心があるため、静止した物体からの邪魔な反射をフィルタリングすることが望まれました。フィルタリングは、受信した各パルスを前のパルスと比較し、同じ場合は両方を拒否して、移動する物体の画像のみを含む信号を残すことによって実現されました。受信した各パルスを後で比較するために保存するには、送信パルス間の時間だけ遅延させて送信線に渡しました^{[13] 。}

チューリングは1945年10月に国立物理学研究所（NPL）に加わったが、^[14]その頃には、英国補給省の科学者たちは、機械支援計算を調整するために英国には国立数学研究所が必要であると結論づけていた。^[15] NPLに数学部門が設立され、1946年2月19日、チューリングは自動計算エンジン（ACE）として知られることになる電子式プログラム蓄積型コンピュータの設計を概説した論文を発表した。^[15]これは、第二次世界大戦後の数年間にプログラム蓄積型コンピュータの構築を目的として立ち上げられたいくつかのプロジェクトの1つであった。ほぼ同じ時期に、ペンシルバニア大学ムーア電気工学部ではEDVACが開発中であり、ケンブリッジ大学数学研究所はEDSACに取り組んでいた。^[16]

NPLにはACEのような機械を作る専門知識がなかったため、中央郵便局（GPO）のドリスヒル研究所のトミー・フラワーズに連絡を取った。世界初のプログラム可能な電子計算機であるコロッサスの設計者であるフラワーズは他の仕事に就いており、プロジェクトに参加できなかったが、彼のチームはACE用の水銀遅延線をいくつか作った。^[15]電気通信研究施設（TRE）にも支援を求められたほか、ケンブリッジ大学数学研究所のモーリス・ウィルクスにも支援を求めた。 ^[15]

NPL を担当する政府部門は、TRE が NPL に代わって行っているすべての作業のうち、ACE を最優先にすることを決定しました。^[15] NPL の決定により、1946 年 11 月 22 日、TRE の物理学部門の責任者が、同じく TRE のFrederic C. Williamsと A. M. Uttley を伴って NPL を訪問することになりました。 ^[15] Williams は、遅延線の代替として、レーダー アプリケーション用の CRT ストアの開発に取り組む TRE 開発グループを率いていました。^{[17] Williams は、すでに}マンチェスター大学の教授職に就いており、彼の回路技術者のほとんどが原子力省に異動する手続き中であったため、ACE に取り組むことができませんでした。^[15] TRE は、大学で Williams の指揮下で作業する少数の技術者を派遣し、TRE で Uttley と作業する別の小グループを支援することに同意しました。^[15]

EDVACの設計にヒントを得たEDSACなどの初期のコンピュータの中には、後に水銀遅延線メモリをうまく利用したものもあったが^[18]、この技術にはいくつかの欠点があった。重く、高価で、データにランダムにアクセスできないことだった。さらに、データは水銀柱を伝わる音波のシーケンスとして保存されるため、媒体を通る音速は温度によって変化するため、デバイスの温度を非常に注意深く制御する必要があった。ウィリアムズは、ベル研究所で、レーダー信号から地上エコーを除去するための遅延線の代替としてブラウン管（CRT）の有効性を実証する実験を見たことがある。TREで働いていた1946年12月にマンチェスター大学に加わる少し前に、ウィリアムズとトム・キルバーンは、標準CRTをベースにしたウィリアムズ管またはウィリアムズ・キルバーン管と呼ばれる電子メモリの一種を開発した。これが最初の電子ランダムアクセスデジタルストレージデバイスであった。^[19]ベイビーは、内部に保存されたデータがコンピュータでの使用に適した速度で確実に読み書きできることを実証することで、実用的な記憶装置であることを示すために設計されました。^[20]

バイナリデジタルコンピュータで使用するには、真空管は各メモリ位置に、バイナリの数字（ビット）0と1に対応する2つの状態のいずれかを保存できなければなりませんでした。真空管は、CRT画面上の任意の位置にダッシュまたはドットを表示することで生成される正または負の電荷、つまり二次放出と呼ばれる現象を利用しました。ダッシュは正の電荷を生成し、ドットは負の電荷を生成し、どちらも画面の前の検出器プレートで検出できます。負の電荷は0を表し、正の電荷は1を表します。電荷は約0.2秒で消散しますが、検出器が拾ったデータから自動的に更新できます。^[21]

ベイビーで使用されたウィリアムズ管は、市販の直径12インチ（300 mm）のCRTであるCV1131をベースにしていたが、マークIではより小さな6インチ（150 mm）の管であるCV1097が使用されていた。^[22]

第二次世界大戦中にブレッチリー・パークで暗号解読用のColossusコンピュータを開発した後、マックス・ニューマンは、アラン・チューリングの数学的概念とジョン・フォン・ノイマンによって説明されたプログラム内蔵概念の両方を組み込んだコンピュータの開発に専念した。1945年、彼はマンチェスター大学の純粋数学のフィールデン教授に任命され、Colossusプロジェクトの同僚であるジャック・グッドとデビッド・リースを連れてマンチェスターに行き、そこでFCウィリアムズを「回路図の担当者」として採用した。彼は王立協会から資金を確保していた。^[23]

大学の支援を確保し、王立協会から資金を獲得し、一流の数学者とエンジニアのチームを編成したニューマンは、コンピューター構築計画のすべての要素を整えました。ブレッチリー パークで非常に効果的に使用したアプローチを採用し、ニューマンは、チームに詳細な作業を任せ、自分はプロジェクトの調整に集中しました。

— 歴史家デイヴィッド・アンダーソン^[23]

マンチェスター大学の電気工学科長に任命された後、ウィリアムズはTREの同僚トム・キルバーンを出向させた。1947年秋までに、2人はウィリアムズ管の記憶容量を1ビットから64×32ビットの配列で2,048ビットに増やし、^[24]それらのビットを4時間保存できることを実証した。^[25]エンジニアのジェフ・トゥーティルは1947年9月にTREからチームに貸与され、1949年4月まで出向したままだった。 ^[26]

さて、話を進める前にはっきりさせておきたいのは、トム・キルバーンも私もマンチェスター大学に着いたときにはコンピューターについて何も知らなかったということです。ニューマンは私たちにコンピューターの仕組みをすべて説明してくれました。」

— フレデリック・カランド・ウィリアムズ^[9]

キルバーンは、自分の機械設計に影響を与えたものを思い出すのに苦労した。

その頃、私はどういうわけかデジタルコンピュータが何であるかを知っていました...この知識をどこから得たのかはわかりません。

— トム・キルバーン^[27]

ジャック・コープランドは、キルバーンの最初の（ベイビー以前の）アキュムレータフリー（ジャック・グッドの命名法では分散型）設計はチューリングからの入力に基づいていたが、後にジャック・グッドとマックス・ニューマンによって書かれ、教えられたフォン・ノイマンが提唱したアキュムレータベースの（集中型）マシンに切り替えたと説明している。^[27]

ベイビーの7つの演算命令セットは、 1947年にジャック・グッドが提案した12の演算命令セットのサブセットに近い。この文書は、このマシンに「ベイビー」という用語を使用した最初の文書である。^[28]グッドは「停止」命令を含めず、彼が提案した条件付きジャンプ命令はベイビーが実装したものよりも複雑だった。^[27]

ニューマンはベイビーやその後のマンチェスターコンピュータの開発には一切関与しなかったが、プロジェクト全般に協力的で熱心であり、GPOの金属ラック^[29]や「…2台の完全なColossiの材料」^[30]など、戦争で余剰となった物資を調達して建設にあたった。ラックとColossiの部品はノーマン・スタンレー・ハモンドらによって改造され、シャーシに組み立てられた。^[要出典]

1948年6月までにベイビーは完成し、稼働していた。^[24]全長17フィート（5.2メートル）、全高7フィート4インチ（2.24メートル）、重量はほぼ1英トン（1.0トン）であった。この機械には550個の バルブ（真空管）（ダイオード300個 と 五極管250個）が含まれ、消費電力は3500ワットであった。^{[31]演算装置は、戦時中に広く使用されていた}EF50五極管バルブを使用して構築された。 ^[25]ベイビーは、32×32ビットワードのランダムアクセスメモリ（RAM）を提供するために1つのウィリアムズ真空管を使用し、2つめの真空管は計算の中間結果を一時的に保存できる32ビットアキュムレータを保持するために、3つめの真空管は現在のプログラム命令をそのアドレスと共にメモリ内に保持するために使用されていた。 4つ目のCRTは、他の3つのCRTのようなストレージ電子機器を持たず、出力装置として使用され、選択されたストレージチューブのビットパターンを表示できました。^[32]

RAMの各32ビットワードには、プログラム命令またはデータのいずれかを含めることができます。プログラム命令では、ビット0〜12は使用されるオペランドのメモリアドレスを表し、ビット13〜15はメモリに数値を格納するなどの実行される操作を指定します。残りの16ビットは使用されません。 ^[32] Babyのシングルオペランドアーキテクチャでは、すべての操作の2番目のオペランドは暗黙的であり、アキュムレータまたはプログラムカウンタ（命令アドレス）であり、プログラム命令はメモリ内のデータのアドレスのみを指定します。

コンピュータのメモリ内の 1 ワードは、360 マイクロ秒で読み書きまたは更新できます。命令の実行には、メモリからワードにアクセスする場合の 4 倍の時間がかかり、命令実行速度は 1 秒あたり約 700 でした。メイン ストアは継続的に更新され、このプロセスは完了までに 20 ミリ秒かかりました。これは、Baby の 32 ワードをそれぞれ読み取って順番に更新する必要があったためです。^[24]

Babyは、ほとんどのコンピュータが現在でもそうであるように、負の数を2の補数^{[33]で表した。その表現では、}最上位ビットの値が数の符号を表す。正の数はその位置に0を持ち、負の数はその位置に1を持つ。したがって、各32ビットワードに格納できる数の範囲は、−2 ³¹から +2 ³¹  − 1（10進数では−2,147,483,648から+2,147,483,647）であった。

Babyの命令フォーマットには3ビットのオペレーションコードフィールドがあり、最大8つ（2 ³）の異なる命令が可能でした。現代の慣例とは対照的に、マシンのストレージは最下位の桁を左側にして記述されていました。そのため、1は3ビットで「100」と表現され、従来の「001」とは表現されませんでした。^[33]

厄介な負の演算は、減算と負の演算以外の算術演算を実行するハードウェアがBabyになかったために生じた。加算は減算で簡単に実装できるため、テストを始める前に加算器を構築する必要はないと考えられていた。 ^[32]つまり、x + yは−(− x − y )として計算できる。したがって、2つの数値XとYを加算するには、4つの命令が必要だった。^[34]

LDN X // 負のXをアキュムレータにロードする
SUB Y // アキュムレータの値からYを引く
STO S // 結果をSに保存する
LDN S // Sの負の値をアキュムレータにロードする

プログラムは、メモリの各ワードを順にステップ実行し、入力デバイスと呼ばれる32個のボタンとスイッチのセットを使用して、各ワードの各ビットの値を0または1に設定することで、バイナリ形式で入力されました。Babyには紙テープリーダーやパンチはありませんでした。^{[35] [36] [37]}

このコンピュータ用に 3 つのプログラムが書かれました。最初のプログラムは 17 個の命令から成り、キルバーンによって書かれ、確認されている限りでは 1948 年 6 月 21 日に初めて実行されました。 ^{[38]このプログラムは、2 18} − 1より下のすべての整数を試して、2 ^{18の最大の}適切な因数(262,144)を見つけるように設計されています 。除算は、除数の繰り返し減算によって実装されました。ベイビーは、答え (131,072) を出すのに 350 万回の演算と 52 分を要しました。このプログラムは、17 ワードの命令に加えて 8 ワードの作業用ストレージを使用し、プログラム サイズは 25 ワードになりました。^[39]

ジェフ・トゥーティルは翌月プログラムの修正版を書き、7月中旬には1948年9月にマンチェスター大学数学科の講師に任命されていたアラン・チューリングが長除算を実行する3番目のプログラムを提出した。チューリングは当時、大学の計算機研究所の副所長という名目上の役職に任命されていたが^[38] 、研究所が物理的に現実のものとなったのは1951年になってからであった^[40]。

ウィリアムズとキルバーンは、1948年9月に出版されたジャーナルネイチャーへの手紙でベイビーについて報告しました。 ^[41]このマシンの成功したデモンストレーションはすぐに、より実用的なコンピュータであるマンチェスターマーク1の構築につながり、1948年8月に作業が開始されました。最初のバージョンは1949年4月に運用され、^[40]それは次に世界初の市販の汎用コンピュータであるフェランティマーク1の開発に直接つながりました。 ^[4]

1998年、現在マンチェスターの科学産業博物館に展示されているベイビーのレプリカが、最初のプログラムの実行50周年を記念して製作されました。博物館では、この機械が稼働している様子のデモンストレーションが定期的に開催されています。^[42]

2008年、マンチェスター大学でこの機械全体のオリジナルのパノラマ写真が発見された。この写真は1948年12月15日に研究生のアレック・ロビンソンが撮影したもので、1949年6月にイラストレイテッド・ロンドン・ニュース^{に掲載されていた。 [43] [44]}

• アンダーソン、デイビッド (2004 年 6 月 4 日)、「マンチェスター ベイビーはブレッチリー パークで生まれたのか?」、アラン マシソン チューリング 2004: 彼の生涯と功績を祝う(PDF)、英国コンピュータ協会、 2008 年 10 月 31 日のオリジナル(PDF)からアーカイブ、 2008 年11 月 16 日に取得

ウィキメディア・コモンズには、マンチェスター小規模実験機械に関連するメディアがあります。

• Computer 50 – マンチェスター大学が現代コンピュータの誕生を祝う。1998 年の Baby の 50 周年を祝う Web サイト computer50.org からアーカイブされています。
• Digital60 – マンチェスター現代コンピュータ60周年記念、2008年のマンチェスターベイビー60周年を祝うウェブサイトcomputer60.orgからアーカイブ
• マンチェスターの小規模実験マシン - 「The Baby」、computer50.org からアーカイブ
• マンチェスターベビーシミュレーターソフトウェア
• BabyRace – 携帯電話でオリジナルプログラムを実行し、小規模実験機とパフォーマンスを比較する
• 赤ちゃんに関するBBCの記事
• マンチェスター小規模実験機を設計・構築したチームのメンバーであるジェフ・トゥーティル氏への口述歴史インタビュー。英国科学の口述歴史のために録音。2020年11月6日に大英図書館のウェイバックマシンにアーカイブされています。
• SSEM (Baby) ドキュメンテーション @ コンピュータ ◆ 保全 ◆ 社会