真空管コンピュータ

真空管式コンピュータは、現在では第一世代コンピュータと呼ばれており、論理回路に真空管を使用するコンピュータです。計算を支援する機械の歴史は数千年とは言わないまでも数世紀前に遡りますが、真空管式コンピュータの歴史は20世紀半ばに限られています。リー・ド・フォレストは1906年に三極管を発明しました。計算に真空管を使用した最初の例であるアタナソフ・ベリー・コンピュータは、1939年に実証されました。真空管式コンピュータは当初、ユニークな設計でしたが、1950年代に商用モデルが導入され、1桁台から数千台まで販売されました。1960年代初頭までに真空管式コンピュータは時代遅れとなり、第二世代の トランジスタ式コンピュータに取って代わられました。

現在デジタル コンピューティングの一部と考えられているものの多くは、真空管の時代に発展しました。当初、真空管コンピューターは、以前の機械式コンピューターと同じ操作を、はるかに高速で実行していました。ギアと機械式リレーはミリ秒単位で動作しますが、真空管はマイクロ秒単位で切り替えることができます。真空管以前の可能性からの最初の変化は、数千ビットのデータを格納し、高速でランダムにアクセスできる大容量メモリの組み込みでした。これにより、マシン命令をデータと同じメモリに格納できるようになりました。これは、今日のデジタル コンピューターの特徴である、ストアード プログラムコンセプトという画期的な発明です。

その他のイノベーションとしては、大容量のデータをコンパクトな形式で保存するための磁気テープの使用 ( UNIVAC I ) や、今日使用されているすべてのハードディスクドライブの直接の祖先であるランダムアクセス二次記憶装置 ( IBM RAMAC 305 ) の導入などがあります。コンピュータグラフィックスも、真空管の時代にIBM 740 CRT データレコーダーと Whirlwindライトペンによって始まりました。プログラミング言語は真空管の時代に生まれ、Fortran と Lisp ( IBM 704 )、Algol ( Z22 )、COBOLなど、現在でも使用されている言語もあります。GM -NAA I/Oなどのオペレーティングシステムもこの時代に誕生しました。

クロスカップル真空管増幅器を使用してパルス列を生成する方法は、1918 年にエクルズとジョーダンによって説明されました。この回路は、2 つの状態を持つ回路であるフリップフロップの基礎となり、電子バイナリ デジタル コンピュータの基本要素となりました。

アタナソフ・ベリー・コンピュータは、1939年にプロトタイプが初めて実証され、現在では世界初の真空管式コンピュータとして認められています。^[1]しかし、このコンピュータは汎用コンピュータではなく、線形方程式の連立方程式しか解けず、信頼性もあまり高くありませんでした。

第二次世界大戦中、 Colossusなどの特殊用途の真空管デジタルコンピュータは、フィッシュとして知られるドイツの機械（テレプリンター）暗号を解読するために使用されました。これらのシステムによって収集された軍事情報は、連合国の戦争遂行に不可欠なものでした。戦争の終わりまでに、10 台の Mark II COLOSSI がブレッチリー パークで使用され、ヒース ロビンソンに取って代わりました。各 COLOSSI は、1,600 本の真空管 (Mark I) または 2,400 本の真空管 (Mark II) を使用しました。^[1] BPでの戦時中の暗号解読は、1970 年代まで秘密にされていました。^[1]

また、戦争中、コンラート・ツーゼによって電気機械式バイナリコンピュータが開発されていました。戦時中のドイツ軍部はコンピュータ開発を優先しませんでした。約 100 本の真空管を備えた実験的な電子コンピュータ回路が 1942 年に開発されましたが、空襲で破壊されました。

米国では、第二次世界大戦後期にENIACコンピュータの開発が開始され、1945 年にマシンが完成しました。開発の動機となった用途の 1 つは砲兵の射撃表の作成でしたが、ENIAC の最初の用途の 1 つは水素爆弾の開発に関連する計算を実行することでした。ENIAC は当初、電子的に保存されたプログラムではなく、プラグボードとスイッチを使用してプログラムされていました。戦後、ENIAC の設計を公開した一連の講演と、ENIAC の後継機となる可能性のあるジョン フォン ノイマンのレポート「EDVAC に関するレポートの初稿」が広く配布され、戦後の真空管コンピュータの設計に影響を与えました。

パンチカードを集計するために使用された初期のマシンは、加算と減算しかできなかった。1931年にIBMは電気機械式の乗算パンチであるIBM 601を発表した。第二次世界大戦後、IBMは計算を実行するために真空管を使用するバージョンである603を製造した。 ^[2]市場の需要に驚いたIBMは、1948年に取り外し可能なプラグインモジュールで1250個の小型真空管を使用するよりコンパクトなバージョンである604を発表した。601よりもはるかに高速で、1カードサイクルで最大60のプログラムステップの除算と実行が可能だった。約5400台がリースまたは販売され、電子計算の最初の成功した商用アプリケーションとなった。

Ferranti Mark 1 (1951) は、最初の商用プログラム格納型真空管コンピュータと考えられています。最初に大量生産されたコンピュータは、Bull Gamma 3 (1952、1,200 台) とIBM 650 (1954、2,000 台) でした。

真空管技術には大量の電力が必要でした。ENIACコンピュータ ( 1946 ) には 17,000 本以上の真空管が使われており、平均して 2 日に 1 回真空管の故障 (故障箇所の特定に 15 分かかりました) が発生しました。ENIAC の動作時の消費電力は 150 キロワットで、^[3]そのうち 80 キロワットは真空管の加熱に、45 キロワットは直流電源に、20 キロワットは換気送風機に、5 キロワットはパンチカード補助装置に使用されました。

コンピュータ内の何千もの真空管のうち 1 つでも故障するとエラーが発生する可能性があるため、真空管の信頼性は非常に重要です。コンピュータ サービス用に、標準の受信真空管よりも高い材料、検査、テスト基準を備えた特別な品質の真空管が製造されました。

アナログ回路ではほとんど発生しないデジタル操作の影響の 1 つに、カソード ポイズニングがあります。プレート電流なしで長時間動作する真空管は、カソード上に高抵抗層を形成し、真空管のゲインが低下します。この影響を防ぐために、コンピューターの真空管には特別に選択された材料が必要でした。真空管を動作温度まで温める際に生じる機械的ストレスを回避するために、真空管ヒーターには、ストレスによるカソード ヒーターの破損を防ぐために、1 分以上かけてゆっくりと最大動作電圧が印加されることがよくありました。熱サイクルを回避するために、マシンのスタンバイ時間中はヒーターの電源をオンにしたまま、高電圧プレート電源をオフにすることができます。真空管コンピューターのサブシステムには限界テストが組み込まれており、プレートまたはヒーターの電圧を下げて適切な動作をテストすることで、早期に故障するリスクのあるコンポーネントを検出できます。すべての電源電圧を調整し、電力網からのサージやディップがコンピューターの動作に影響するのを防ぐために、電源はモーター ジェネレータ セットから供給され、電源電圧の安定性と調整が改善されました。^[要出典]

真空管コンピュータの構築には、2 つの大まかなタイプの論理回路が使用されました。「非同期」または直接 DC 結合型では、論理ゲート間およびゲート自体の接続に抵抗器のみを使用しました。論理レベルは、2 つの大きく離れた電圧で表されました。「同期」または「ダイナミック パルス」タイプの論理では、各ステージが変圧器やコンデンサなどのパルス ネットワークで結合されていました。各論理要素には「クロック」パルスが適用されていました。論理状態は、各クロック間隔中のパルスの有無で表されました。非同期設計は潜在的に高速に動作できますが、異なる論理パスでは入力から安定した出力までの伝播時間が異なるため、論理「レース」を防ぐためにより多くの回路が必要でした。同期システムではこの問題は回避されましたが、マシンの各ステージに複数のフェーズがある可能性のあるクロック信号を分配するための追加の回路が必要でした。直接結合された論理ステージは、コンポーネント値のドリフトや小さなリーク電流に多少敏感でしたが、動作のバイナリ特性により、ドリフトによる誤動作に対して回路にかなりの余裕が与えられました。^[4]「パルス」（同期）コンピュータの例としては、MIT Whirlwindがあります。IASコンピュータ（ILLIACなど）は、非同期の直接結合ロジックステージを使用していました。

真空管式コンピュータは、スイッチング素子および増幅素子として主に三極管と五極管を使用していました。少なくとも 1 つの特別に設計されたゲート管には、同様の特性を持つ 2 つの制御グリッドがあり、2 入力AND ゲートを直接実装することができました。^[4] サイラトロンは、 I/O デバイスの駆動やラッチおよび保持レジスタの設計を簡素化するなどに使用されることがありました。真空管式コンピュータでは、ANDおよびORロジック機能を実行するために固体 (「クリスタル」) ダイオードを多用し、ステージ間の信号の増幅やフリップフロップ、カウンター、レジスタなどの要素の構築にのみ真空管が使用されていました。固体ダイオードにより、マシン全体のサイズと消費電力が削減されました。

1950 年の参考文献である「High-Speed Computing Devices」では、（高価な）真空管の数を最小限に抑える（最適な基数の選択）ことを目標に、当時の技術を使用して数値を格納するさまざまな方法が説明されています。数値は、いくつかの三極管で構成されたリング カウンタの状態として格納できます。r 状態の大型リング カウンタには、 r個の三極管をr個のフリップフロップ^として配置する必要がありました。これは、10進数^の 桁ごとに 20 個の三極管を使用する ENIAC の 10 進カウンタに見られるものです [5] : 23–25。r が約 7 状態未満の小型リング カウンタには、 r 個の 三極管が必要です ^{[6] : 22–23}

いくつかの真空管コンピュータ ( Harwell Dekatron Computerなど) では、10 進数の桁ごとに 1 つのDecatron真空管を使用します。

初期のシステムでは、最終的に磁気コア メモリに落ち着くまで、さまざまなメモリ技術が使用されていました。1942年のアタナソフ ベリー コンピュータは、回転する機械式ドラムに数値を 2 進数として保存し、回転ごとにこの「動的」メモリを更新する特別な回路を備えていました。戦時中のENIAC は20 個の数値を保存できましたが、使用された真空管レジスタは数個以上の数値を保存するには製造コストが高すぎました。経済的な形式のメモリが開発されるまで、プログラム格納型コンピュータは手の届かないものでした。

1944年、J・プレスパー・エッカートは、ENIACの後継機で水銀遅延線メモリを使用する提案をした。 この後継機はEDVACとなる。エッカートは、それ以前にもレーダー信号処理用の遅延線メモリを扱っていた。モーリス・ウィルクスは1947年に、17ビットのワードを32ワード保存できる水銀遅延線メモリを搭載したEDSACを開発した。遅延線メモリは本質的にシリアルに構成されているため、マシンロジックもビットシリアルであった。^[7]エッカートとジョン・モークリーは、1951年のUNIVAC Iにこの技術を使用し、1953年に遅延線メモリの特許を取得した。遅延線内のビットは、一定速度で移動する媒体内の音波として保存される。UNIVAC I (1951) は、それぞれ18列の水銀を含む7つのメモリユニットを使用し、それぞれ120ビットを保存した。これにより、平均アクセス時間300マイクロ秒で1,000個の12文字ワードを記憶することができました。^[8]このメモリサブシステムは独自のウォークインルームを形成しました。

ウィリアムズ管は、最初の真のランダム アクセス メモリデバイスでした。ウィリアムズ管は、ブラウン管 (CRT) 上にドットのグリッドを表示し、各ドットに小さな静電気を発生させます。各ドットの位置の電荷は、ディスプレイのすぐ前にある薄い金属板によって読み取られます。フレデリック キャランド ウィリアムズとトム キルバーンは、1946 年にウィリアムズ管の特許を申請しました。ウィリアムズ管は遅延線よりもはるかに高速でしたが、信頼性の問題がありました。UNIVAC 1103 は、容量が 1,024 ビットのウィリアムズ管を 36 本使用し、合計 1,024 ワード (各 36 ビット) のランダム アクセス メモリを実現しました。IBM 701のウィリアムズ管メモリのアクセス時間は30 マイクロ秒でした。^[8]

磁気ドラムメモリは、1932年にオーストリアのグスタフ・タウシェクによって発明されました。^{[9] [10]ドラムは、}強磁性記録材料でコーティングされた高速回転する大きな金属シリンダーで構成されていました。ほとんどのドラムには、各トラックごとにドラムの長軸に沿って1列以上の固定読み取り/書き込みヘッドがありました。ドラムコントローラは適切なヘッドを選択し、ドラムが回転するときにデータがその下に現れるのを待ちました。IBM 650には、平均アクセス時間が2.5ミリ秒の10桁ワードが1,000〜4,000個格納できるドラムメモリがありました。

磁気コアメモリは、1951 年に A Wang によって特許取得されました。コアは小さな磁気リングコアを使用し、そのコアにワイヤが通されて情報の書き込みと読み取りが行われます。各コアは 1 ビットの情報を表します。コアは 2 つの異なる方向 (時計回りまたは反時計回り) に磁化することができ、コアに格納されるビットは、そのコアの磁化方向に応じて 0 または 1 になります。ワイヤによって、個々のコアを 1 または 0 に設定でき、選択したワイヤに適切な電流パルスを送信することで磁化を変更できます。コアメモリは、ランダムアクセスと高速性に加えて、はるかに高い信頼性を提供しました。これは、MIT/IBM Whirlwindなどのコンピューターですぐに使用され、ウィリアムズ管に代わって最初の 1,024 個の 16 ビットワードのメモリがインストールされました。同様に、UNIVAC 1103 は1956 年に 1103A にアップグレードされ、ウィリアムズ管がコアメモリに置き換えられました。 1103で使用されたコアメモリのアクセス時間は10マイクロ秒でした。^[8]

1950年代には、電子計算機が研究プロジェクトから商品へと進化し、共通の設計と多数のコピーが作られ、^[11]大きな新しい産業が始まりました。初期の商用マシンは真空管とさまざまなメモリ技術を使用していましたが、1950年代の終わりには磁気コアに収束しました。

初期の商用マシンの多くは、単発マシンから引き継がれ、科学、工学、軍事目的に必要な高速数学計算用に設計されました。しかし、既存の大規模なパンチカード エコシステムによって生成されるデータ処理ワークロード用に設計されたものもありました。特に IBM は、コンピュータを科学ラインと商用ラインに分け、電子技術と周辺機器は共有していましたが、命令セット アーキテクチャとソフトウェアはまったく互換性がありませんでした。この慣行は、IBM System/360プロジェクトによって再統合されるまで、第 2 世代 (トランジスタ化) マシンにも引き継がれました。IBM 700/7000 シリーズを参照してください。

以下は、第 1 世代の商用コンピューターのリストです。

• コンピュータハードウェアの歴史
• 真空管コンピュータの一覧
• コンピュータの真空管
• プログラム内蔵型コンピュータ