ロケットデジタルコンピュータ

ロケットデジタルコンピュータ（LVDC）は、サターンVロケットの打ち上げから地球周回軌道投入、そしてアポロ宇宙船を月に送る月周回軌道投入まで、自動操縦機能を提供したコンピュータである。ニューヨーク州オウィーゴにあるIBMの電子システムセンターで設計・製造され、サターンVおよびサターンIBロケットのS-IVB段に取り付けられた計器ユニットの主要コンポーネントの1つであった。LVDCは、サターンハードウェアの打ち上げ前および打ち上げ後のチェックアウトもサポートしていた。LVDCは、打ち上げロケットからコンピュータへのセンサー入力の信号調整を行うロケットデータアダプタ（LVDA）と組み合わせて使用​​された。

LVDCは1秒あたり12190命令を実行可能でした。比較のために、2022年現在、カリフォルニア大学の研究者は1秒あたり1兆7800億命令を実行できるチップを開発しており、^[1] 1億4600万倍の速度です。

マスター クロックは 2.048 MHz で動作しましたが、操作はビット シリアルで実行され、各ビットの処理に 4 サイクル、命令フェーズあたり 14 ビット、命令あたり 3 フェーズが必要でした。そのため、単純な加算の場合、基本命令サイクル時間は 82 μs (168 クロック サイクル) でした。いくつかの命令 (乗算や除算など) は、実行に基本命令サイクルの数倍かかりました。

メモリは13ビットの音節形式で、それぞれに14番目のパリティビットがありました。^[2]命令語は1音節で、データワードは2音節（26ビット）でした。メインメモリはランダムアクセス磁気コアで、4,096ワードのメモリモジュールの形をしていました。最大8つのモジュールで最大32,768ワードのメモリを提供しました。超音波遅延線が一時ストレージを提供しました。

信頼性のために、LVDCは3重冗長ロジックと投票システムを採用した。コンピュータには3つの同一ロジックシステムが搭載されていた。各ロジックシステムは7段階のパイプラインに分割されていた。パイプラインの各段階で、投票システムが結果に対して多数決をとり、最も人気のある結果がすべてのパイプラインの次の段階に渡される。つまり、7段階のそれぞれで、3つのパイプラインのいずれかのモジュールが故障しても、LVDCは正しい結果を生成する。^[3] その結果、250時間の動作で99.6%の信頼性が推定され、これはアポロ計画に要した数時間をはるかに上回るものであった。

メモリ モジュールが 4 つあり、合計容量は 16,384 ワードで、重量は 72.5 ポンド (32.9 kg)、サイズは 29.5 x 12.5 x 10.5 インチ (750 mm × 320 mm × 270 mm)、消費電力は 137W でした。

LVDC は、打ち上げロケット データ アダプター (LVDA) とデジタル通信を行いました。LVDA は、フライト コントロール コンピューター (FCC) を使用して、アナログからデジタル、デジタルからアナログへの変換を行いました。FCC はアナログ コンピューターでした。

LVDC 命令語は、4 ビットのオペコード フィールド (最下位ビット) と 9 ビットのオペランド アドレス フィールド (最上位ビット) に分割されました。これにより、18 個の異なる命令がある場合に、16 個の可能なオペコード値が存在することになりました。その結果、3 つの命令は同じオペコード値を使用し、アドレス値の 2 ビットを使用して、どの命令を実行するかが決定されました。

メモリは 256 ワードの「セクター」に分割されました。アドレスの 8 ビットはセクター内のワードを指定し、9 番目のビットはソフトウェアで選択可能な「現在のセクター」または「残留メモリ」と呼ばれるグローバル セクターのいずれかを選択します。

LVDC命令は18種類あり、以下の通りである。^{[4] : 20–101}

飛行中、LVDCは機体の誘導のために2秒ごとにメジャー計算ループを実行し、姿勢制御のために1秒あたり25回のマイナーループを実行した。マイナーループは40ミリ秒ごとに専用の割り込みによってトリガーされ、実行には18ミリ秒かかる。^[5]

アポロ誘導コンピュータのソフトウェアとは異なり、LVDC で実行されていたソフトウェアは消滅したようです。ハードウェアのエミュレーションはかなり簡単ですが、ソフトウェアの唯一の残存コピーは、 NASA の施設に展示されている残りのサターン Vロケットの計器ユニットLVDCのコア ロープ メモリにあると思われます。^{[引用が必要]}

LVDC は、外部イベントによってトリガーされる多数の割り込みにも応答できます。

Saturn IB の場合、これらの割り込みは次のようになります。

Saturn V の場合、これらの割り込みは次のようになります。

LVDC は、幅約 30 インチ (760 mm)、高さ 12.5 インチ (320 mm)、奥行き 10.5 インチ (270 mm) で、重量は 72.5 ポンド (32.9 kg) でした。^{[6]シャーシはマグネシウムリチウム合金 LA 141}で作られており、剛性が高く、重量が軽く、振動減衰特性に優れていることから選ばれました。^[7]シャーシは 3 x 5 のセルのマトリックスに分割され、壁で区切られ、その壁を通して冷却剤が循環して、コンピューターによって消費される 138 ワット^[8]の電力を除去します。セル壁のスロットには、電子部品の「ページ」が収められています。コンピューターの壁を通して冷却剤を循環させて LVDC を冷却するという決定は、当時としてはユニークで、3 次元パッケージングにより、LVDC と LVDA (この技術を使用して部分的に冷却) を 1 つのコールド プレート位置に配置できました。計器ユニットのほとんどの機器を冷却するために使用されたコールド プレートは、使用されるさまざまな機器に対しては汎用性があったものの、宇宙の観点からは非効率的でした。合金 LA 141 は、IBM によってジェミニ キーボード、読み出しユニット、およびコンピューターに少量使用されており、LVDC のより大きなフレームは、当時鋳造された LA 141 の最大のビレットから製造され、その後フレームに CNC 加工されました。

ページは、2.5～3 インチ (64～76 mm) のボード 2 枚を背中合わせに並べたものと、低電力ページではシャーシに熱を伝導するマグネシウム - リチウム フレーム、高電力ページではマグネシウム - アルミニウム - 亜鉛 フレームで構成されていました。12 層のボードには、信号層、電源層、および接地層が含まれており、層間の接続はメッキ スルー ホールによって行われました。メッキ スルー ホールは、ユニット ロジック デバイス (ULD) の下に意図的に配置されており、デバイスから金属フレーム、ひいては冷却壁への熱伝導を促進します。

0.3 x 0.3 x 0.07 インチ (7.6 mm x 7.6 mm x 1.8 mm) ^[9]のアルミナ正方形を最大 35個、基板にリフローはんだ付けすることができた。これらのアルミナ正方形には、導体が上面にシルクスクリーン印刷され、抵抗が下面にシルクスクリーン印刷されていた。0.025 x 0.025 インチ (0.64 mm x 0.64 mm) の半導体チップ (それぞれ 1 つのトランジスタまたは 2 つのダイオードを含む) が上面にリフローはんだ付けされた。完成したモジュールはユニット ロジック デバイスと呼ばれた。^{[10]ユニット ロジック デバイス (ULD) は、IBM の}ソリッド ロジック テクノロジー(SLT) モジュールの小型版だが、クリップ接続が採用されている。^{[3] [11] [12]}チップと導電パターン間の接点には銅ボールが使用された。^{[7] : 509}

電子構造の階層を次の表に示します。

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  ヴェルナー・フォン・ブラウン博士（左）を含むMSFC職員がLVDCを視察

• アポロ誘導コンピュータ
• アポロPGNCS主宇宙船誘導システム
• ジェミニ宇宙船搭載コンピュータ(OBC)

• IBM、サターン V ロケット デジタル コンピュータ、第 1 巻: 一般的な説明と理論、1964 年 11 月 30 日
• IBM、サターン V 誘導コンピュータ、半期進捗報告書、1963 年 4 月 1 日 - 9 月 30 日、1963 年 10 月 31 日、アーカイブ
• Bellcomm, Inc.、打ち上げロケットデジタルコンピュータ (LVDC) のメモリ要件、1967 年 4 月 25 日
• ボーイング、サターン V ロケット誘導方程式、SA-504、1967年 7 月 15 日
• Haeussermann, Walter (1970 年 7 月)。サターン打ち上げロケットのナビゲーション、誘導、制御システムの説明と性能(PDF)。NASA TN D-5869。
• NASA マーシャル宇宙飛行センター、サターン V 飛行マニュアル SA-503、1968年 11 月 1 日
• NASA マーシャル宇宙飛行センター、スカイラブ サターン IB 飛行マニュアル、1972 年 9 月 30 日
• MM Dickinson、JB Jackson、GC Randa。IBM スペース ガイダンス センター、ニューヨーク州オウィーゴ。「サターン V ロケット デジタル コンピュータおよびデータ アダプタ」。1964 年秋の合同コンピュータ カンファレンスの議事録、501 ～ 516 ページ。
• S. Bonis、R. Jackson、B. Pagnani。IBM スペース ガイダンス センター、ニューヨーク州オウィーゴ。「打ち上げ機誘導コンピューターの機械的および電子的パッケージング」国際電子回路パッケージング シンポジウム、1964 年 8 月 21 ～ 24 日。226 ～ 241 ページ。
• IBM、アポロ研究報告書、第 2 巻。^{[リンク切れ‍ ]} IBM スペース ガイダンス センター、ニューヨーク州オウィーゴ、1963 年 10 月 1 日。133 ページ。Virtual AGC でも入手可能 ( 63-928-130で検索)。
• NASA MSFC、Astrionics System Handbook Saturn Launch Vehicles NASA Marshall Space Flight Center、1968 年 11 月 1 日。MSFC No. IV-4-401-1。IBM No. 68-966-0002。419 ページ。第 15 章は、LVDC および Launch Vehicle Data Adapter について説明しています。

• IBM アーカイブ: サターン誘導コンピューター
• SpaceAholic のアポロ月着陸船とサターン V 宇宙飛行遺物のコレクションにある LDVC コンポーネントの高解像度写真