マンチェスターのコンピューター

マンチェスターコンピュータは、 1947年から1977年までの30年間、トム・キルバーンのリーダーシップの下、マンチェスター大学の小規模なチームによって開発された革新的なプログラム内蔵型電子コンピュータのシリーズです。^{[ 1 ]}これには、世界初のプログラム内蔵型コンピュータ、世界初のトランジスタ式コンピュータ、そして1962年の運用開始当時は世界最速のコンピュータが含まれていました。^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

このプロジェクトは、標準的な陰極線管（CRT）に基づく初期のコンピュータメモリであるウィリアムズ管の実用性を証明することと、コンピュータが数学の問題解決にどのように役立つかを調査するために使用できるマシンを構築することという2つの目的で始まりました。^{[ 6 ]}シリーズの最初のマシンであるマンチェスター・ベビーは、 1948年6月21日に最初のプログラムを実行しました。^{[ 2 ]}世界初のプログラム内蔵型コンピュータであるベビーと、そこから発展したマンチェスター・マーク1は、すぐに英国政府の注目を集め、英国政府は電気工学会社のフェランティ社に商用版の製造を委託しました。その結果できたマシン、フェランティ・マーク1は、世界初の市販の汎用コンピュータでした。^{[ 7 ]}

フェランティとの協力は最終的にコンピュータ会社ICLとの産業提携につながり、ICLは大学で開発された多くのアイデアを活用し、特に1970年代の2900シリーズのコンピュータの設計に活用した。 ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}

マンチェスター・ベビーは、実用的なコンピュータとしてではなく、初期のコンピュータ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ました。このマシンの開発は1947年に始まり、1948年6月21日に、2 ¹⁸ − 1から下へすべての整数を試して2 ¹⁸ (262,144)の最大の正しい因数を見つけるために書かれた 17 個の命令からなる最初のプログラムを正常に実行しました。プログラムは 52分実行され、正しい答えである 2 ¹⁷ (131,072) を出力しました。^{[ 11 ]} 

Babyは全長17フィート（5.2メートル） 、高さ7フィート4インチ（2.24メートル）、重量はほぼ1ロングトンでした。550個の熱電子管（ダイオード300個、五極管250個）を搭載し、消費電力は3.5キロワットでした。^{[ 12 ]}その動作成功は、1948年9月に発行されたNature誌への手紙で報告され、^{[ 13 ]}世界初のプログラム内蔵型コンピュータとして確立されました。^{[ 14 ]}すぐに、より実用的なマシンであるManchester Mark 1へと進化しました。           

マンチェスター・マーク1の開発は1948年8月に始まり、当初の目的は大学により現実的な計算設備を提供することであった。^{[ 15 ]} 1948年10月、英国政府主任科学者のベン・ロックスペイザーは試作機のデモンストレーションを受け、非常に感銘を受け、すぐに地元のフェランティ社と政府契約を結び、商用版のフェランティ・マーク1を製造することにした。^{[ 7 ]}

マンチェスター・マーク1には2つのバージョンがあり、最初のバージョンである中間バージョンは1949年4月までに稼働した。^{[ 15 ]} 1949年10月までに完全に稼働した最終仕様機^{[ 16 ]}は4,050個の真空管を搭載し、消費電力は25 キロワットであった。^{[ 17 ]}マンチェスター・マーク1の最も重要な革新は、現代のコンピュータでは一般的なインデックスレジスタを組み込んだことかもしれない。^{[ 18 ]}

2022年6月、IEEEマイルストーンが「マンチェスター大学の「ベビー」コンピュータとその派生製品、1948年～1951年」に捧げられた。^{[ 19 ]}

Mark 1 での経験から、開発者たちはコンピュータが純粋数学よりも科学的な役割でより多く使用されるだろうと結論付けました。そのため、浮動小数点演算ユニットを含む新しいマシンの設計に着手し、1951 年に作業を開始しました。その結果、1954 年 5 月に最初のプログラムを実行したマシンは、Meg、つまりメガサイクル マシンとして知られていました。Mark 1 よりも小型でシンプルであり、数学の問題を解くのも速かったのです。フェランティは、ウィリアムズ管をより信頼性の高いコア メモリに置き換えたFerranti Mercuryという商用バージョンを製造しました。^{[ 20 ]}

より小型で安価なコンピュータの開発作業は、Meg の開発と並行して 1952 年に開始されました。キルバーンのチームの 2 名、リチャード・グリムスデールと DC ウェッブは、真空管の代わりに新しく開発されたトランジスタを使用したマシンの設計と構築を担当し、これはマンチェスター TC として知られるようになりました。^{[ 21 ]}当初はゲルマニウム点接触トランジスタのみが利用可能でした。これらは、置き換えられた真空管よりも信頼性は低いものの、消費電力ははるかに少なかったです。^{[ 22 ]}

このマシンは 2 つのバージョンが製造されました。最初のバージョンは世界初のトランジスタ式コンピュータ^{[ 23 ]}で、プロトタイプであり、1953 年 11 月 16 日に稼働を開始しました。^{[ 3 ] [ 24 ]}「この48 ビットマシンは、92 個の点接触トランジスタと 550 個のダイオードを使用していました。」^{[ 25 ]} 2 番目のバージョンは 1955 年 4 月に完成しました。1955 年バージョンは、250 個の接合トランジスタ^{[ 25 ]}と1,300 個の固体ダイオードを使用し、消費電力は 150 ワットでした。ただし、Manchester TC は、125 kHz のクロック波形を生成するため、また磁気ドラムメモリ の読み書きを行う回路に真空管を使用していたため、完全にトランジスタ化された最初のコンピュータではありませんでした。その称号は、1955 年のHarwell CADETに与えられました。 ^{[ 26 ]}

初期のトランジスタの信頼性の問題により、マンチェスターTCの平均故障間隔は約90分でしたが、より信頼性の高い接合トランジスタが利用可能になると改善されました。^{[ 27 ]}トランジスタコンピュータの設計は、地元のエンジニアリング会社であるメトロポリタン・ヴィッカース社によってメトロビック950に採用され、すべての回路が接合トランジスタを使用するように変更されました。メトロビック950は6台製造され、最初の1台は1956年に完成しました。これらは同社のさまざまな部門で成功裏に導入され、約5年間使用されました。^{[ 23 ]}

MUSE （「マイクロ秒エンジン」 に由来する名称）の開発は、1956年に大学で始まった。目標は、1命令あたり1マイクロ秒、つまり1秒間に100万命令の処理速度で動作するコンピュータを構築することだった。^{[ 28 ]} Mu（またはμ ）は、SI単位系やその他の単位系における接頭辞で、 ^10⁻⁶（100万分の1）の係数を表す。 

1958年末、フェランティはマンチェスター大学とこのプロジェクトで協力することに同意し、その後まもなくコンピュータはアトラスと改名され、合弁事業はトム・キルバーンの指揮下に入った。最初のアトラスは1962年12月7日に正式に稼働を開始し、当時世界で最も強力なコンピュータと考えられており、IBM 7094 4台分に相当するとされていた。^{[ 29 ]}アトラスが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ると言われていた。^{[ 30 ]}最速の命令は1.59マイクロ秒で実行され、仮想ストレージとページングの使用により、同時接続ユーザーごとに最大100万語のストレージスペースが利用可能になった。アトラスは、今日でも広く使われている多くのハードウェアとソフトウェアの概念を開拓し、その中には「多くの人が最初の認識可能な現代的オペレーティングシステムと考える」アトラス・スーパーバイザーも含まれている。^{[ 31 ]}

他に2台のマシンが製造された。1台はブリティッシュ・ペトロリアムとロンドン大学の共同コンソーシアム向け、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ある。フェランティはケンブリッジ大学向けに派生システムを構築し、タイタンまたはアトラス2と呼ばれた。これはメモリ構成が異なり、ケンブリッジ・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。^{[ 30 ]}

マンチェスター大学の地図帳は1971年に廃止されたが^{[ 32 ]}、最後のものは1974年まで使用されていた^{[ 33 ]} 。チルトン地図帳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いる。

2022年6月、IEEEマイルストーンは「アトラスコンピュータと仮想メモリの発明 1957-1962」に捧げられた。^{[ 34 ]}

マンチェスターMU5はアトラスの後継機だった。アトラスの後継機に関する概略案は、1968年にエジンバラで開催されたIFIP会議で発表されたが^{[ 35 ]} 、プロジェクトの作業やICT（フェランティが参加していた）との支援とサポートを得るための協議は1966年に始まっていた。後にMU5として知られるようになるこの新しいマシンは、一連のマシンの最上位機種として、アトラスの20倍の速度を目指していた。

1968年、科学研究評議会（SRC）は、マシンの開発のためにマンチェスター大学に5年間で630,466ポンド（2024年換算で1,250万ポンドに相当）^{[ a ]}の助成金を授与し、後にICLとなるICTは、大学に生産設備を提供した。その年、20人のグループが設計に関わった。コンピュータサイエンス学科のスタッフ11人、ICTから派遣されたスタッフ5人、SRCが支援するスタッフ4人である。スタッフのピークは1971年で、研究学生を含めて人数は60人に増加した。^{[ 36 ]} 

MU5プロセッサの最も重要な新機能は、命令セットと連想メモリを使用してオペランドと命令へのアクセスを高速化することであり、プロセッサの基本サイクルタイムがメインメモリへのアクセスよりも5倍速かったため、非常に有益でした。命令セットは、コンパイラによる効率的なオブジェクトコードの生成、プロセッサのパイプライン構成、およびオペランドの性質に関する情報をハードウェアに提供してオペランドを最適にバッファリングできるように設計されました。そのため、名前付き変数は配列要素とは別にバッファリングされ、配列要素自体は名前付きディスクリプタによってアクセスされました。各ディスクリプタには配列の長さが含まれており、これは文字列処理命令で使用したり、ハードウェアによる配列境界チェックを実行できるようにするために使用したりできます。命令のプリフェッチメカニズムは、連想ジャンプトレースを使用して、差し迫った分岐の結果を予測しました。^{[ 37 ] [ 38 ]}

MU5 オペレーティングシステム MUSS ^{[ 39 ] [ 40 ]}は、高い適応性を持つように設計され、マンチェスター大学やその他の場所でさまざまなプロセッサに移植されました。完成した MU5 システムでは、3 つのプロセッサ (MU5 自体、ICL 1905E、およびPDP-11 ) と、多数のメモリやその他のデバイスが高速 Exchange によって相互接続されていました。^{[ 41 ] [ 42 ]} 3 つのプロセッサはすべて MUSS のバージョンを実行しました。MUSS には、さまざまな言語のコンパイラと、コンパイルされたコードをサポートするランタイム パッケージも含まれていました。MUSS は、対応するプロセッサのセットに類似した任意の仮想マシンのセットを実装する小さなカーネルとして構成されていました。MUSS コードは、各仮想マシンの仮想アドレス空間の一部を形成する共通セグメントに現れました。

MU5は1974年10月までに完全に稼働し、ICLが新しいコンピュータシリーズである2900シリーズの開発に取り組んでいると発表した時期と一致した。特に1975年6月に初めて納入されたICLの2980は、MU5の設計に大きく影響を受けていた。^{[ 43 ]} MU5は1982年まで大学で稼働し続けた。^{[ 44 ]} MU5に関するより詳しい記事は、エンジニアリングおよびテクノロジーの歴史ウィキで見つけることができる。^{[ 45 ]}

MU5が完全に稼働すると、その後継機であるMU6を開発するための新しいプロジェクトが開始されました。MU6は、パーソナルコンピュータとしての使用を目的とした高度なマイクロプロセッサアーキテクチャであるMU6P ^{[ 46 ]} 、汎用または科学アプリケーション向けの高性能マシンであるMU6-G ^{[ 47 ] 、および並列ベクトル処理システムであるMU6V [ 48 ]}の3つのプロセッサで構成される予定でした。ベクトルオーダーを「エクストラコード」としてエミュレートした68000マイクロプロセッサをベースとしたMU6Vのプロトタイプモデルが構築され、テストされましたが、それ以上の開発は行われませんでした。MU6-GはSRCからの助成金で構築され、MU5プロジェクトの一部として開発されたMUSSオペレーティングシステムを使用して、1982年から1987年の間に学科のサービスマシンとして正常に稼働しました^{[ 4 ]}。

SpiNNaker: Spiking Neural Network Architecture は、マンチェスター大学の Advanced Processor Technologies Research Group (APT) のSteve Furberによって設計された、大規模並列、マルチコアのスーパーコンピュータ アーキテクチャです。 ^{[ 49 ]} 2019 年に構築された SpiNNaker は、それぞれ 18 コアと 128 MB のモバイル DDR SDRAMを備えた 57,600 個のARM9 プロセッサ(具体的には ARM968)で構成され、合計 1,036,800 個のコアと 7 TB を超える RAM を備えています。^{[ 50 ]}このコンピューティング プラットフォームは、人間の脳をシミュレートするのに役立つスパイク ニューラル ネットワーク に基づいています( Human Brain Project を参照)。^{[ 51 ] [ 52 ] [ 53 ] [ 54 ] [ 55 ] [ 56 ] [ 57 ] [ 58 ] [ 59 ]}