Ламповый компьютер
Компьютер на электронных лампах , теперь называемый компьютером первого поколения , представляет собой компьютер, в котором электронные лампы используются для логических схем. В то время как история механических средств вычислений насчитывает столетия , если не тысячелетия , история ламповых компьютеров ограничивается серединой 20-го века. Ли Де Форест изобрел триод в 1906 году. Первый пример использования электронных ламп для вычислений, компьютер Атанасова-Берри , был продемонстрирован в 1939 году. Первоначально компьютеры на электронных лампах были единственной в своем роде конструкцией, но были представлены коммерческие модели. в 1950-х годах и продавались в объемах от однозначных чисел до тысяч единиц. К началу 1960-х годов ламповые компьютеры устарели и были заменены второго поколения транзисторными компьютерами .
Большая часть того, что мы сейчас считаем частью цифровых вычислений, возникла в эпоху электронных ламп. Первоначально ламповые компьютеры выполняли те же операции, что и более ранние механические компьютеры, только на гораздо более высоких скоростях. Шестерни и механические реле срабатывают за миллисекунды, тогда как электронные лампы могут переключаться за микросекунды. Первым отходом от того, что было возможно до появления электронных ламп, было использование большой памяти, которая могла хранить тысячи бит данных и осуществлять произвольный доступ к ним на высоких скоростях. Это, в свою очередь, позволило хранить машинные инструкции в той же памяти, что и данные — концепция хранимой программы , прорыв, который сегодня является отличительной чертой цифровых компьютеров.
Другие инновации включали использование магнитной ленты для хранения больших объемов данных в компактной форме ( UNIVAC I ) и внедрение вторичной памяти с произвольным доступом ( IBM RAMAC 305 ), прямого предка всех жестких дисков, которые мы используем сегодня. Даже компьютерная графика зародилась в эпоху электронных ламп с появлением ЭЛТ-рекордера IBM 740 Whirlwind и светового пера . Языки программирования зародились в эпоху электронных ламп, в том числе некоторые из них используются до сих пор, такие как Fortran и Lisp ( IBM 704 ), Algol ( Z22 ) и COBOL. Операционные системы, такие как GM-NAA I/O , также родились в эту эпоху.
Разработка
[ редактировать ]Использование ламповых усилителей с перекрестной связью для создания последовательности импульсов было описано Эклсом и Джорданом в 1918 году. Эта схема стала основой триггера , схемы с двумя состояниями, которая стала фундаментальным элементом электронных двоичных цифровых сигналов. компьютеры.
Компьютер Атанасова-Берри , прототип которого был впервые продемонстрирован в 1939 году, сейчас считается первым ламповым компьютером. [1] Однако это не был компьютер общего назначения, способный решать только систему линейных уравнений , а также не очень надежный.
Во время Второй мировой войны специальные цифровые компьютеры на электронных лампах, такие как «Колосс», использовались для взлома немецких машинных (телетайпов) шифров, известных как «Фиш» . Военная разведка, собранная этими системами, имела важное значение для военных усилий союзников. К концу войны 10 Mark II COLOSSI использовались в Блетчли-Парке ; они заменили Хита Робинсона . В каждом COLOSSI использовалось 1600 электронных ламп (Mark I) или 2400 электронных ламп (Mark II). [1] Взлом кода компании BP во время войны держался в секрете до 1970-х годов. [1]
разрабатывал электромеханические бинарные компьютеры Также во время войны Конрад Цузе . Немецкое военное ведомство во время войны не уделяло приоритетного внимания развитию компьютеров. Экспериментальная электронно-компьютерная схема, состоящая примерно из 100 ламп, была разработана в 1942 году, но уничтожена во время воздушного налета.
В Соединенных Штатах работа над компьютером ENIAC началась в конце Второй мировой войны. Машина была завершена в 1945 году. Хотя одним из применений, побудивших ее разработку, было производство таблиц стрельбы для артиллерии, одним из первых применений ENIAC было проведение расчетов, связанных с разработкой водородной бомбы . Изначально ENIAC был запрограммирован с помощью коммутационных панелей и переключателей вместо программы, хранящейся в электронном виде. Послевоенная серия лекций, раскрывающая конструкцию ENIAC, и отчет Джона фон Неймана о предполагаемом преемнике ENIAC, « Первый проект отчета о EDVAC» , были широко распространены и оказали влияние на разработку послевоенного вакуума. -ламповые компьютеры.
Первые машины, которые использовались для табулирования перфокарт, могли только складывать и вычитать. В 1931 году IBM представила электромеханический умножающий пуансон IBM 601 . После Второй мировой войны IBM выпустила версию 603 , в которой для вычислений использовались электронные лампы. [2] Удивленная рыночным спросом на него, IBM представила в 1948 году более компактную версию 604 , в которой использовалось 1250 миниатюрных электронных ламп в съемных сменных модулях. Гораздо быстрее, чем 601, он мог делить и выполнять до 60 шагов программы за один карточный цикл. Около 5400 единиц были сданы в аренду или проданы, что сделало это первым успешным коммерческим применением электронных вычислений.
Ferranti Mark 1 (1951) считается первым коммерческим ламповым компьютером с хранимой программой. Первыми компьютерами массового производства были Bull Gamma 3 (1952 г., 1200 шт.) и IBM 650 (1954 г., 2000 шт.).
Дизайн
[ редактировать ]Технология электронных ламп требовала большого количества электроэнергии. Компьютер ENIAC (1946 г.) имел более 17 000 трубок, и в среднем каждые два дня у них выходил из строя (на поиск которого требовалось 15 минут). В процессе работы ENIAC потреблял 150 киловатт энергии. [3] из них 80 киловатт было использовано на нагревательные трубки, 45 киловатт на источники постоянного тока, 20 киловатт на вентиляторы и 5 киловатт на перфокарточное вспомогательное оборудование.
Поскольку отказ любой из тысяч лампочек в компьютере мог привести к ошибкам, надежность ламп имела большое значение. Трубки специального качества были созданы для компьютерного обслуживания, с более высокими стандартами материалов, проверок и испытаний, чем стандартные приемные трубки.
Одним из последствий цифрового управления, которое редко встречается в аналоговых схемах, было отравление катода . В вакуумных лампах, которые работали в течение длительных интервалов времени без анодного тока, на катодах образовывался слой с высоким удельным сопротивлением, что уменьшало коэффициент усиления лампы. Чтобы предотвратить этот эффект, для компьютерных ламп требовались специально подобранные материалы. Чтобы избежать механических напряжений, связанных с нагревом трубок до рабочей температуры, к трубчатым нагревателям часто прикладывалось полное рабочее напряжение медленно, в течение минуты или более, чтобы предотвратить вызванные напряжением разрушения катодных нагревателей. Чтобы избежать термоциклирования, питание нагревателя можно оставить включенным во время ожидания машины, отключив питание высоковольтных пластин. Предельное тестирование было встроено в подсистемы лампового компьютера; путем снижения напряжения пластины или нагревателя и проверки правильности работы можно обнаружить компоненты, подверженные риску преждевременного выхода из строя. Чтобы регулировать все напряжения источника питания и предотвратить влияние скачков и провалов в электросети на работу компьютера, питание получалось от мотор-генераторной установки, что улучшало стабильность и регулирование напряжений источника питания. [ нужна ссылка ]
При создании ламповых компьютеров использовались два основных типа логических схем. В «асинхронном» или прямом типе с постоянным током использовались только резисторы для соединения между логическими вентилями и внутри самих вентилей. Логические уровни были представлены двумя широко разнесенными напряжениями. В логике «синхронного» или «динамического импульсного» типа каждый каскад был связан импульсными цепями, такими как трансформаторы или конденсаторы. На каждый логический элемент подавался «тактовый» импульс. Логические состояния были представлены наличием или отсутствием импульсов в течение каждого тактового интервала. Асинхронные конструкции потенциально могут работать быстрее, но требуют больше схем для защиты от логических «гонок», поскольку разные логические пути будут иметь разное время распространения от входа до стабильного выхода. Синхронные системы избегали этой проблемы, но требовали дополнительных схем для распределения тактового сигнала, который мог иметь несколько фаз для каждого этапа машины. Логические каскады с прямой связью были несколько чувствительны к дрейфу значений компонентов или небольшим токам утечки, но двоичный характер работы давал схемам значительный запас против сбоев из-за дрейфа. [4] Примером «импульсного» (синхронного) компьютера был MIT Whirlwind . Компьютеры IAS ( ILLIAC и другие) использовали асинхронные логические каскады с прямой связью.
Ламповые компьютеры в основном использовали триоды и пентоды в качестве переключающих и усиливающих элементов. По крайней мере, одна специально разработанная вентильная трубка имела две управляющие сетки со схожими характеристиками, что позволяло напрямую реализовать двухвходовой вентиль И. [4] тиратроны Иногда использовались , например, для управления устройствами ввода-вывода или для упрощения конструкции защелок и регистров временного хранения. Часто в компьютерах на электронных лампах широко использовались твердотельные («кристаллические») диоды для выполнения логических функций «И» и «ИЛИ» , а электронные лампы использовались только для усиления сигналов между каскадами или для создания таких элементов, как триггеры, счетчики и регистры. . Твердотельные диоды уменьшили размер и энергопотребление всей машины.
В справочнике « Высокоскоростные вычислительные устройства» 1950 года описаны различные способы хранения чисел с использованием современных технологий с целью минимизировать количество (дорогих) электронных ламп ( оптимальный выбор системы счисления ). Числа могут храниться как состояние кольцевого счетчика, состоящего из нескольких триодов .Для больших кольцевых счетчиков с r состояниями требовалось 2 r триодов, расположенных в виде r триггеров , как в . десятичных счетчиках ENIAC [5] : 23–25 которые используют 20 триодов на десятичную цифру.Для небольших кольцевых счетчиков с r менее 7 состояний требуется r триодов. [6] : 22–23 Некоторые более поздние ламповые компьютеры используют этот факт и используют 7 триодов на десятичную цифру, используя двоично-десятичный код (кольцевой счетчик с 5 состояниями и кольцевой счетчик с 2 состояниями).
Некоторые ламповые компьютеры, такие как компьютер Harwell Dekatron , используют одну лампу Decatron на десятичную цифру.
Технология памяти
[ редактировать ]Ранние системы использовали различные технологии памяти, прежде чем окончательно остановились на памяти на магнитных сердечниках . Компьютер Атанасова-Берри 1942 года хранил числовые значения в виде двоичных чисел во вращающемся механическом барабане со специальной схемой, обновляющей эту «динамическую» память при каждом обороте. военного времени ЭНИАК мог хранить 20 чисел, но используемые ламповые регистры были слишком дорогими, чтобы хранить больше нескольких чисел. Компьютер с хранимой программой был недоступен до тех пор, пока не была разработана экономичная форма памяти.
В 1944 году Дж. Преспер Экерт предложил использовать ртутную память с линией задержки в преемнике ENIAC, который впоследствии стал EDVAC . Экерт ранее работал с памятью линии задержки для обработки радиолокационных сигналов. Морис Уилкс построил EDSAC в 1947 году, который имел ртутную память с линией задержки , способную хранить 32 слова по 17 бит каждое. Поскольку память с линиями задержки по своей сути была организована последовательно, машинная логика также была последовательной побитно. [7] Экерт и Джон Мочли использовали эту технологию в UNIVAC I 1951 года и получили патент на память с линией задержки в 1953 году. Биты в линии задержки сохраняются в виде звуковых волн в среде, которые распространяются с постоянной скоростью. UNIVAC I (1951) использовал семь блоков памяти, каждый из которых содержал 18 столбцов ртути, хранящих по 120 бит каждый. Это обеспечило память на 1000 12-значных слов со средним временем доступа 300 микросекунд. [8] Эта подсистема памяти образовала собственную гардеробную.
Лампы Уильямса были первым настоящим запоминающим устройством с произвольным доступом . Трубка Вильямса отображает сетку точек на электронно-лучевой трубке (ЭЛТ), создавая небольшой заряд статического электричества над каждой точкой. Заряд в месте расположения каждой точки считывается тонким металлическим листом прямо перед дисплеем. Фредерик Калланд Уильямс и Том Килберн подали заявку на патент на трубку Уильямса в 1946 году. Трубка Уильямса была намного быстрее, чем линия задержки, но имела проблемы с надежностью. В UNIVAC 1103 использовались 36 ламп Уильямса емкостью 1024 бита каждая, что давало общую оперативную память в 1024 слова по 36 бит каждое. Время доступа к памяти на лампе Уильямса на IBM 701 составляло 30 микросекунд. [8]
на магнитном Память барабане была изобретена в 1932 году Густавом Таушеком в Австрии. [9] [10] Барабан представлял собой большой быстро вращающийся металлический цилиндр, покрытый ферромагнитным записывающим материалом. Большинство барабанов имели один или несколько рядов фиксированных головок чтения-записи вдоль длинной оси барабана для каждой дорожки. Контроллер барабана выбрал подходящую головку и ждал, пока под ней появятся данные по мере вращения барабана. IBM 650 имел барабанную память от 1000 до 4000 10-значных слов со средним временем доступа 2,5 миллисекунды.
Память на магнитных сердечниках была запатентована А. Вангом в 1951 году. В ядре используются крошечные магнитные кольцевые сердечники, через которые пропущены провода для записи и чтения информации. Каждое ядро представляет один бит информации. Сердечники можно намагничивать двумя разными способами (по часовой стрелке или против часовой стрелки), а бит, хранящийся в сердечнике, равен нулю или единице в зависимости от направления намагничивания этого сердечника. Провода позволяют установить для отдельного сердечника единицу или ноль и изменить его намагниченность, посылая соответствующие импульсы электрического тока через выбранные провода. Основная память обеспечивала произвольный доступ и большую скорость, а также гораздо более высокую надежность. Его быстро начали использовать в таких компьютерах, как MIT/IBM Whirlwind , где первоначальные 1024 16-битных слов памяти были установлены вместо ламп Уильямса. Точно так же UNIVAC 1103 был модернизирован до 1103A в 1956 году, при этом основная память заменила лампы Williams. Основная память, используемая в 1103, имела время доступа 10 микросекунд. [8]
Начало компьютерной индустрии
[ редактировать ]В 1950-е годы электронная вычислительная машина превратилась из исследовательского проекта в коммерческий продукт с общей конструкцией и множеством копий. [11] тем самым положив начало новой крупной отрасли. В первых коммерческих машинах использовались электронные лампы и различные технологии памяти, которые к концу десятилетия перешли на магнитный сердечник.
Многие из первых коммерческих машин произошли от одноразовых машин и были предназначены для быстрых математических вычислений, необходимых для научных, инженерных и военных целей. Но некоторые из них были разработаны для рабочих нагрузок по обработке данных, создаваемых большой существующей экосистемой перфокарт . IBM, в частности, разделила свои компьютеры на научное и коммерческое направления, которые использовали общие электронные технологии и периферийные устройства, но имели совершенно несовместимую архитектуру набора команд и программное обеспечение. Эта практика продолжалась и в машинах второго поколения (транзисторных) до воссоединения в рамках проекта IBM System/360 . См. серию IBM 700/7000.
Ниже приведен список этих коммерческих компьютеров первого поколения.
| Компьютер | Дата | Единицы | Примечания |
|---|---|---|---|
| ИБМ 604 | 1948 | 5,600 | Первый полностью электронный калькулятор для использования с записывающим оборудованием . Мог умножать и делить данные с перфокарт . Было 1250 трубок. |
| IBM КТК | 1949 | 700 | Объединили IBM 604 с другими машинами единичной записи для выполнения последовательности вычислений, определенной инструкциями на колоде перфокарт. |
| Ферранти Марк 1 | 1951 | 9 | Первый коммерчески доступный компьютер с хранимыми программами, основанный на Manchester Mark 1 . |
| УНИВАК I | 1951 | 46 | Первый серийный компьютер с хранимой программой. Использована память линии задержки . |
| ЛЕО I | 1951 | 1 | Первый компьютер для коммерческого применения. Построен и использован J. Lyons and Co. , сетью ресторанов и пекарен. На основе конструкции EDSAC. |
| ИБМ 701 | 1952 | 19 | Создан IBM , также известный как «Defense Calculator», на базе компьютера IAS с ламповой памятью Williams . Глава IBM, как известно, рассчитывал продать 5 единиц, но во время первой торговой поездки получил заказы на 18. [12] Первая машина серии IBM 700/7000 . |
| Бык Гамма 3 | 1952 | ~1,200 | Сделано компанией Compagnie des Machines Bull , одним из первых электронных цифровых компьютеров массового производства. Первоначально предназначенный для дополнения перфокарточных автоматов. [13] [14] |
| ИБМ 702 | 1953 | 14 | Технология аналогична 701, но создана для бизнес-вычислений. |
| Strela computer | 1953 | 7 | Построен в Советском Союзе. |
| Дататрон | 1954 | ~120 | Научный/коммерческий компьютер, созданный ElectroData Corporation . |
| ИБМ 650 | 1954 | ~2,000 | Первый в мире компьютер, продажи которого исчисляются тысячами. Используемая барабанная память с 10-значными десятичными словами. |
| ИБМ 704 | 1954 | 123 | Первый серийный компьютер с оборудованием для вычислений с плавающей запятой для научного использования. Использовалась магнитная память и 36-битные двоичные слова. |
| ЯВЛЯЕТСЯ | 1954 | 1 | Первый коммерческий компьютер на электронных лампах в Германии, созданный Хайнца Никсдорфа Лабораторией импульсных технологий . |
| ИБМ 705 | 1954 | 160 | В основном совместим с IBM 702 для использования в бизнесе. В Компьютерном музее Мюнхена есть один, который не находится в рабочем состоянии. |
| МОРСКОЕ КАБИНА 2000 | 1955 | 4 | Первые коммерческие компьютеры от SEA. 22-битные последовательные компьютеры с диодной логикой и основной и барабанной памятью. |
| УНИВАК 1102 | 1954 | 3 | Вариант UNIVAC 1101, построенный для ВВС США. |
| Цузе Z22 | 1955 | 55 | Ранний коммерческий компьютер. |
| IBM 305 РАМАК | 1956 | >1000 | Первый коммерческий компьютер, в котором в качестве вторичного хранилища использовался жесткий диск с подвижной головкой . |
| Бендикс G-15 | 1956 | >400 | Небольшой компьютер для научных и промышленных целей от Bendix Corporation. Всего в нем было около 450 ламп (в основном двойные триоды) и 300 германиевых диодов. |
| ЛГП-30 | 1956 | ~500 | Компьютер размером с настольный компьютер производства Librascope ; побитовая драм-машина всего со 113 лампами и 1450 диодами. [15] |
| Ферранти Пегас | 1956 | 38 | Ламповый компьютер с магнитострикционной памятью на линии задержки, предназначенный для офисного использования. Второй старейший сохранившийся компьютер в мире. [16] |
| РКА БИЗМАК | 1956 | 6 | Первый коммерческий компьютер RCA содержал 25 000 ламп. |
| БЭСМ -2 | 1957 | >20 | Построен в Советском Союзе. Компьютер общего назначения серии БЭСМ. |
| ИБМ 610 | 1957 | 180 | Небольшой компьютер, предназначенный для использования одним человеком с ограниченным опытом. |
| МОРСКАЯ КАБИНА 3000 | 1957 | 4 | Разработан с использованием 32-битной последовательной логики и параллельного двоичного умножителя и предназначен как для научных, так и для деловых целей. |
| ИБМ 709 | 1958 | 45 | Усовершенствованная версия IBM 704, на смену ей пришла программно-совместимая транзисторная серия IBM 7090 . |
| УНИВАК II | 1958 | Улучшенная, полностью совместимая версия UNIVAC I. | |
| УНИВАК 1105 | 1958 | 3 | Продолжение научного компьютера UNIVAC 1103. |
| АН/ФСК-7 | 1958 | 52 | Самый большой ламповый компьютер из когда-либо созданных. 52 были построены для американского проекта SAGE . |
| ЗЕБРА | 1958 | 55 | Разработан в Голландии и изготовлен британской компанией Standard Telephones and Cables . [17] |
| Берроуз 220 | 1959 | ~50 | Научно-коммерческий компьютер, преемник ElectroData Datatron . |
См. также
[ редактировать ]- История вычислительной техники
- Список ламповых компьютеров
- Компьютерные вакуумные лампы
- Компьютер с хранимой программой
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с Джек, Коупленд, Б. «Современная история вычислений» . plato.stanford.edu . Проверено 29 апреля 2018 г.
{{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ «IBM 603: первый коммерческий электронный калькулятор, история IBM» . ИБМ . Проверено 13 октября 2023 г.
- ^ «Пресс-релиз: ОПИСАНЫ ФИЗИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ, РАБОТА ЭНИАКА» (PDF) . Смитсоновский институт – Национальный музей американской истории . ВОЕННОЕ ОТДЕЛЕНИЕ Бюро по связям с общественностью . Проверено 30 декабря 2017 г.
- ^ Перейти обратно: а б Эдвард Л. Браун, Проектирование цифровых компьютеров: логика, схема и синтез . Академическое издательство, 2014, ISBN 1483275736 , стр. 116–126.
- ^ Сотрудники Ассоциации инженерных исследований (1950). «3-7 2 - триодный счетчик по модулю r ». Высокоскоростные вычислительные устройства . МакГроу-Хилл. стр. 23–25 . Проверено 27 августа 2008 г.
- ^ Сотрудники Ассоциации инженерных исследований (1950). «3-6 Счетчик r -триодов по модулю r ». Высокоскоростные вычислительные устройства . МакГроу-Хилл. стр. 22–23 . Проверено 27 августа 2008 г.
- ^ Марк Дональд Хилл, Норман Пол Джуппи , Гуриндар Сохи (редактор), Чтения по компьютерной архитектуре , Gulf Professional Publishing, 2000, ISBN 1558605398 , страницы 3–4.
- ^ Перейти обратно: а б с Дасгупта, Субрата (2014). Все началось с «Бэббиджа: генезис информатики» . Издательство Оксфордского университета. п. VII. ISBN 978-0-19-930941-2 . Проверено 30 декабря 2017 г.
- ^ Патент США 2080100 . Густав Таушек, дата приоритета 2 августа 1932 г., впоследствии подан как Патент Германии DE643803 , «Электромагнитная память для чисел и другой информации, особенно для бухгалтерских учреждений».
- ^ Университет Клагенфурта (ред.). «Магнитный барабан» . Виртуальные выставки по информатике . Проверено 21 августа 2011 г.
- ^ «Ежемесячная компьютерная перепись». Компьютеры и автоматизация . Апрель 1962 года.
- ^ «Часто задаваемые вопросы» (PDF) . ИБМ. 10 апреля 2007 г. с. 26 . Проверено 10 сентября 2023 г.
- ^ Исследования, Военно-морское управление США (1953). Обзор автоматических цифровых компьютеров . Управление военно-морских исследований Департамента военно-морского флота. п. 39 .
- ^ Татналл, Артур; Блит, Тилли; Джонсон, Роджер (6 декабря 2013 г.). Сделать историю вычислений актуальной: Международная конференция IFIP WG 9.7, HC 2013, Лондон, Великобритания, 17–18 июня 2013 г., Пересмотренные избранные статьи . Спрингер. п. 124. ИСБН 9783642416507 .
- ^ LGP 30 , техникум 29: Живой музей
- ^ Пегас в музее Виктории и Альберта , Общество охраны компьютеров, июнь 2016 г. , получено 29 августа 2016 г.
- ^ «Музей истории компьютеров — Standard Telephones and Cables Limited, Лондон — Электронный цифровой компьютер Stantec Zebra» . Computerhistory.org . Проверено 24 апреля 2017 г.