Ламповый компьютер , который теперь называют компьютером первого поколения , — это компьютер, в котором для логических схем используются вакуумные лампы . В то время как история механических вспомогательных средств для 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 вакуумных ламп для вычислений, компьютер Атанасова-Берри , был продемонстрирован в 1939 году. Ламповые компьютеры изначально были уникальными конструкциями, но коммерческие модели были представлены в 1950-х годах и продавались в объемах от единичных цифр до тысяч единиц. К началу 1960-х годов ламповые компьютеры устарели, их заменили транзисторные компьютеры второго поколения .
Многое из того, что мы сейчас считаем частью цифровых вычислений, развилось в эпоху электронных ламп. Изначально электронные лампы выполняли те же операции, что и более ранние механические компьютеры, только на гораздо более высоких скоростях. Шестерни и механические реле работают за миллисекунды, тогда как электронные лампы могут переключаться за микросекунды. Первым отходом от того, что было возможно до электронных ламп, было внедрение большой памяти, которая могла хранить тысячи бит данных и осуществлять к ним случайный доступ 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 введение вторичного хранилища с произвольным доступом ( IBM RAMAC 305 ), прямого предка всех жестких дисков, которые мы используем сегодня. Даже компьютерная графика началась в эпоху электронных ламп с IBM 740 CRT Data Recorder и светового пера Whirlwind . Языки программирования возникли в эпоху электронных ламп, включая некоторые из них, которые используются и сегодня, такие как Fortran & Lisp ( IBM 704 ), Algol ( Z22 ) и COBOL. Операционные системы, такие как GM-NAA I/O , также появились в эту эпоху.
Использование перекрестно-связанных вакуумных ламповых усилителей для создания последовательности импульсов было описано Экклзом и Джорданом в 1918 году. Эта схема легла в основу триггера — схемы с двумя состояниями, которая стала основным элементом электронных двоичных цифровых компьютеров.
Компьютер Атанасова–Берри , прототип которого был впервые продемонстрирован в 1939 году, теперь считается первым ламповым компьютером. [1] Однако он не был универсальным компьютером, поскольку мог решать только системы линейных уравнений , а также был не очень надежным.
Во время Второй мировой войны специальные электронные цифровые компьютеры, такие как Colossus, использовались для взлома немецких машинных (телетайпных) шифров, известных как Fish . Военная разведывательная информация, собранная этими системами, имела важное значение для военных усилий союзников. К концу войны в Блетчли-парке использовались 10 Mark II COLOSSI ; они заменили Heath Robinson . Каждый COLOSSI использовал 1600 электронных ламп (Mark I) или 2400 электронных ламп (Mark II). [1] Военная расшифровка кодов в BP держалась в секрете до 1970-х годов. [1]
Также во время войны электромеханические двоичные компьютеры разрабатывались Конрадом Цузе . Немецкое военное ведомство во время войны не отдавало приоритета разработке компьютеров. Экспериментальная электронная компьютерная схема с примерно 100 лампами была разработана в 1942 году, но была уничтожена во время авианалета.
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 к разработке, было создание таблиц стрельбы для артиллерии, одним из первых применений ENIAC было проведение расчетов, связанных с разработкой водородной бомбы . Первоначально ENIAC программировался с помощью коммутационных панелей и переключателей вместо хранимой в электронном виде программы. Послевоенная серия лекций, раскрывающих конструкцию ENIAC, и отчет Джона фон Неймана о предполагаемом преемнике ENIAC, First Draft of a Report on the EDVAC , были широко распространены и оказали влияние на разработку послевоенных ламповых компьютеров.
Ранние машины, которые использовались для табулирования перфокарт, могли только складывать и вычитать. В 1931 году IBM представила электромеханический умножающий перфоратор IBM 601. После Второй мировой войны IBM выпустила версию 603 , которая использовала электронные лампы для выполнения вычислений. [2] Удивленная рыночным спросом на нее, IBM представила в 1948 году более компактную версию 604 , использующую 1250 миниатюрных электронных ламп в съемных подключаемых модулях. Она была намного быстрее, чем 601, и могла делить и выполнять до 60 программных шагов за один цикл карты. Около 5400 единиц были сданы в аренду или проданы, что сделало ее первым успешным коммерческим применением электронных вычислений.
Ferranti Mark 1 (1951) считается первым коммерческим ламповым компьютером с хранимой программой. Первыми серийно выпускаемыми компьютерами были Bull Gamma 3 (1952, 1200 единиц) и IBM 650 (1954, 2000 единиц).
Технология вакуумных ламп требовала большого количества электроэнергии. Компьютер ENIAC (1946) имел более 17 000 ламп и терпел отказ лампы (на обнаружение которого уходило 15 минут) в среднем каждые два дня. В процессе работы ENIAC потреблял 150 киловатт электроэнергии, [3] из которых 80 киловатт использовались для нагрева трубок, 45 киловатт для источников постоянного тока, 20 киловатт для вентиляционных вентиляторов и 5 киловатт для вспомогательного оборудования с перфокартами.
Поскольку отказ любой из тысяч трубок в компьютере мог привести к ошибкам, надежность трубок имела большое значение. Для обслуживания компьютеров были созданы трубки особого качества с более высокими стандартами материалов, проверки и тестирования, чем стандартные приемные трубки.
Одним из эффектов цифровой работы, который редко появлялся в аналоговых схемах, было отравление катода . Электронные лампы, которые работали в течение длительных интервалов без анодного тока, создавали слой высокого сопротивления на катодах, что снижало коэффициент усиления лампы. Для компьютерных ламп требовались специально подобранные материалы, чтобы предотвратить этот эффект. Чтобы избежать механических напряжений, связанных с нагревом ламп до рабочей температуры, часто к нагревателям трубок медленно, в течение минуты или более, подавали полное рабочее напряжение, чтобы предотвратить вызванные напряжением трещины катодных нагревателей. Чтобы избежать термоциклирования, питание нагревателя можно было оставить включенным во время ожидания машины, при этом высоковольтные источники питания пластин были отключены. Предельное тестирование было встроено в подсистемы компьютера на электронных лампах; путем снижения напряжения пластин или нагревателя и проверки правильности работы можно было обнаружить компоненты, подверженные риску раннего отказа. Для регулирования всех напряжений электропитания и предотвращения влияния скачков и провалов в электросети на работу компьютера, питание производилось от мотор-генераторной установки, которая улучшала стабильность и регулирование напряжений электропитания. [ необходима ссылка ]
В конструкции ламповых компьютеров использовались два основных типа логических схем. «Асинхронный» или прямой тип с постоянным током использовал только резисторы для соединения между логическими вентилями и внутри самих вентилей. Логические уровни были представлены двумя широко разнесенными напряжениями. В «синхронном» или «динамически импульсном» типе логики каждый этап был связан импульсными сетями, такими как трансформаторы или конденсаторы. К каждому логическому элементу был применен «тактовый» импульс. Логические состояния были представлены наличием или отсутствием импульсов в течение каждого тактового интервала. Асинхронные конструкции потенциально могли работать быстрее, но требовали больше схем для защиты от логических «гонок», поскольку разные логические пути имели бы 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 этапы с прямым соединением были несколько чувствительны к дрейфу значений компонентов или небольшим токам утечки, но двоичная природа работы давала схемам значительный запас против сбоев из-за дрейфа. [4] Примером «импульсного» (синхронного) компьютера был MIT Whirlwind . Компьютеры IAS ( ILLIAC и другие) использовали асинхронные, напрямую связанные логические каскады.
Ламповые компьютеры в основном использовали триоды и пентоды в качестве коммутационных и усилительных элементов. По крайней мере, одна специально разработанная стробирующая лампа имела две управляющие сетки с похожими характеристиками, что позволяло ей напрямую реализовывать двухвходовой вентиль И. [ 4] Иногда использовались тиратроны , например, для управления устройствами ввода-вывода или для упрощения конструкции защелок и регистров хранения. Часто ламповые компьютеры широко использовали твердотельные («кристаллические») диоды для выполнения логических функций И и ИЛИ и использовали вакуумные лампы только для усиления сигналов между каскадами или для построения таких элементов, как триггеры, счетчики и регистры. Твердотельные диоды уменьшали размер и энергопотребление всей машины.
Справочник 1950 года « Высокоскоростные вычислительные устройства» описывает различные способы хранения чисел с использованием современных технологий с целью минимизации количества (дорогих) электронных ламп ( выбор оптимального основания ). Числа могут храниться как состояние кольцевого счетчика , состоящего из нескольких триодов . Большие кольцевые счетчики с r состояниями требовали 2 r триодов, организованных как r триггеров , как в десятичных счетчиках ENIAC , [5] : 23–25 , которые используют 20 триодов на десятичную цифру. Маленькие кольцевые счетчики с r менее чем примерно 7 состояниями требуют r триодов. [6] : 22–23 Некоторые более поздние ламповые компьютеры использовали этот факт и использовали 7 триодов на десятичную цифру, используя би-квинарно-кодированную десятичную систему счисления (кольцевой счетчик с 5 состояниями и кольцевой счетчик с 2 состояниями).
Некоторые ламповые компьютеры, такие как Harwell Dekatron Computer , используют одну лампу Decatron на каждую десятичную цифру.
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 для обновления этой «динамической» памяти при каждом обороте. ENIAC военного времени мог хранить 20 чисел, но используемые регистры на электронных лампах были слишком дорогими для хранения большего количества чисел. Компьютер с хранимой программой был недостижим, пока не была разработана экономичная форма памяти.
В 1944 году Дж. Преспер Экерт предложил использовать память на ртутной линии задержки в преемнике ENIAC, который впоследствии стал EDVAC . Ранее Экерт работал с памятью на ртутной линии задержки для обработки радиолокационных сигналов. Морис Уилкс построил EDSAC в 1947 году, который имел память на ртутной линии задержки , которая могла хранить 32 слова по 17 бит каждое. Поскольку память на линии задержки была изначально последовательно организована, логика машины также была бит-последовательной. [7] Экерт и Джон Мочли использовали эту технологию в UNIVAC I 1951 года и получили патент на память на линии задержки в 1953 году. Биты в линии задержки хранятся 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 120 бит каждый. Это обеспечивало память на 1000 12-символьных слов со средним временем доступа 300 микросекунд. [8] Эта подсистема памяти образовывала свою собственную комнату для посетителей.
Трубки Уильямса были первым настоящим устройством памяти с произвольным доступом . Трубка Уильямса 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 заявки на патенты на трубку Уильямса в 1946 году. Трубка Уильямса была намного быстрее, чем линия задержки, но страдала от проблем с надежностью. UNIVAC 1103 использовал 36 трубок Уильямса емкостью 1024 бита каждая, что давало общую память с произвольным доступом в 1024 слова по 36 бит каждое. Время доступа для памяти на трубке Уильямса на IBM 701 составляло 30 микросекунд. [8]
Магнитная барабанная память была изобретена в 1932 году Густавом Таушеком в Австрии. [9] [10] Барабан состоял из большого быстро вращающегося металлического цилиндра, покрытого ферромагнитным записывающим материалом. Большинство барабанов имели один или несколько рядов фиксированных головок чтения-записи вдоль длинной оси барабана для каждой дорожки. Контроллер барабана выбирал нужную головку и ждал, пока данные появятся под ней по мере вращения барабана. IBM 650 имел барабанную память объемом от 1000 до 4000 10-значных слов со средним временем доступа 2,5 миллисекунды.
Магнитная память на сердечниках была запатентована А. Вангом в 1951 году. Ядро использует крошечные магнитные кольцевые сердечники, через которые продеты провода для записи и чтения информации. Каждый сердечник представляет один бит информации. Сердечники могут быть намагничены двумя различными способами (по часовой стрелке или против часовой стрелки), и бит, хранящийся в сердечнике, равен нулю или единице в зависимости от направления намагничивания этого сердечника. Провода позволяют устанавливать отдельный сердечник либо на единицу, либо на ноль, а его намагниченность можно изменять, посылая соответствующие импульсы электрического тока по выбранным проводам. Магнитная память обеспечивала произвольный доступ и большую скорость, в дополнение к гораздо более высокой надежности. Она быстро стала использоваться в компьютерах, таких как MIT/IBM Whirlwind , где были установлены начальные 1024 16-битных слова памяти вместо трубок Уильямса. Аналогично UNIVAC 1103 был модернизирован до 1103A в 1956 году, причем магнитная память заменила трубки Уильямса. Время доступа к основной памяти, используемой в 1103, составляло 10 микросекунд. [8]
В 1950-х годах электронный компьютер эволюционировал из исследовательского проекта в коммерческий продукт с общими конструкциями и многочисленными копиями, [11] тем самым положив начало новой крупной отрасли. Ранние коммерческие машины использовали электронные лампы и различные технологии памяти, сходясь к концу десятилетия на магнитном сердечнике.
Многие из ранних коммерческих машин были созданы на основе одноразовых машин и были разработаны для быстрых математических вычислений, необходимых для научных, инженерных и военных целей. Но некоторые были разработаны для рабочих нагрузок обработки данных, генерируемых большой, существующей экосистемой перфокарт . IBM, в частности, разделила свои компьютеры на научные и коммерческие линии, которые разделяли электронные технологии и периферийные устройства, но имели совершенно несовместимые архитектуры наборов команд и программное обеспечение. Эта практика продолжалась и в машинах второго поколения (транзисторных) до воссоединения проектом IBM System/360 . См. серию IBM 700/7000
Ниже приведен список коммерческих компьютеров первого поколения.
{{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )