Vakuumrohrcomputer

Replik des Atanasoff -bery -Computers an der Iowa State University
Der 1946 eniac -Computer verwendete 17.468 Vakuumröhrchen

A Vakuumrohrcomputer, jetzt als a bezeichnet Computer der ersten Generation, ist ein Computer, der verwendet Vakuumröhren Für Logikschaltung. Obwohl ersetzt von zweite Generation Transistorisierte ComputerVakuumrohrcomputer wurden weiterhin in die 1960er Jahre eingebaut. Diese Computer waren meist einzigartige Designs.

Entwicklung

Die Verwendung von Kreuzkopplung Vakuumrohrverstärker Um einen Impulszug zu produzieren, wurde von Eccles und Jordan 1918 beschrieben. Diese Schaltung wurde zur Grundlage der Flip Flops, eine Schaltung mit zwei Zuständen, die zum grundlegenden Element elektronischer binärer digitaler Computer wurden.

Das Atanasoff -berry -ComputerEin Prototyp, dessen erstmals 1939 demonstriert wurde, wird jetzt als erster Vakuumrohrcomputer zugeschrieben.[1] Es war jedoch kein allgemeiner Computer, der nur a lösen konnte System der linearen Gleichungenund war auch nicht sehr zuverlässig.

Der Colossus -Computer im Bletchley Park

Während des Zweiten Weltkriegs, digitalen Computer von Spezialvakuumrohr wie z. Koloss wurden verwendet, um deutsche und japanische Chiffren zu brechen. Die von diesen Systemen gesammelte militärische Geheimdienste war für die alliierten Kriegsanstrengungen von wesentlicher Bedeutung. Jeder Koloss verwendete zwischen 1.600 und 2.400 Vakuumröhrchen.[1] Die Existenz der Maschine wurde geheim gehalten, und die Öffentlichkeit war sich ihrer Bewerbung bis in die 1970er Jahre nicht bewusst.[1]

Auch während des Krieges wurden elektromechanische binäre Computer von entwickelt von Konrad Zuse. Das deutsche Militär Establishment während des Krieges hat die Computerentwicklung nicht priorisiert. 1942 wurde ein experimenteller elektronischer Computerkreis mit rund 100 Röhren entwickelt, jedoch in einem Luftangriff zerstört.

In den Vereinigten Staaten begann die Arbeiten an der Eniac Computer spät im Zweiten Weltkrieg. Die Maschine wurde 1945 fertiggestellt. Obwohl eine Anwendung, die ihre Entwicklung motivierte Wasserstoffbombe. ENIAC war anfangs mit Plugboards und Schalter anstelle eines elektronisch gespeicherten Programms programmiert. Eine Nachkriegsreihe von Vorträgen, in denen das Design von Eniac veröffentlicht wurde, und einen Bericht von John von Neumann auf einem vorhersehbaren Nachfolger von Eniac, Erster Entwurf eines Berichts über den EDVACwaren weit verbreitet und waren einflussreich bei der Gestaltung von Vakuumrohr-Computern nach dem Krieg.

Das Ferranti Mark 1 (1951) gilt als der erste kommerzielle Vakuumrohrcomputer. Der erste mit Massenproduktion produzierte Computer war der IBM 650 (1953).

Entwurf

Die Vakuumrohrentechnologie erforderte viel Strom. Das Eniac Computer (1946) hatte über 17.000 Röhren und erlitt durchschnittlich alle zwei Tage einen Rohrausfall (der 15 Minuten dauern würde). In Betrieb konsumierte der Eniac 150 Kilowatt Strom,[2] Davon wurden 80 Kilowatt für Heizrohre, 45 Kilowatt für Gleichstromversorgungen, 20 Kilowatt für Belüftungsgebläse und 5 Kilowatt für Hilfsgeräte für Stanzkarten verwendet.

Ein IBM 650 an der Texas A & M University

Da das Versagen eines der Tausenden von Röhren in einem Computer zu Fehlern führen kann, war die Röhrungszuverlässigkeit von großer Bedeutung. Für den Computerservice wurden spezielle Qualitätsrohre mit höheren Materialien, Inspektion und Test als Standard -Empfangsrohre gebaut.

Ein Effekt des digitalen Betriebs, der selten in analogen Schaltungen auftrat, war Kathodenvergiftung. Vakuumröhrchen, die für verlängerte Intervalle ohne Plattenstrom betrieben wurden, entwickeln eine hochauflösende Schicht auf den Kathoden, wodurch die Verstärkung des Rohrs verringert wird. Für Computerrohre wurden speziell ausgewählte Materialien benötigt, um diesen Effekt zu verhindern. Um mechanische Spannungen zu vermeiden, die mit dem Erwärmen der Röhrchen bis zur Betriebstemperatur verbunden sind, hatten die Rohrheizungen häufig ihre volle Betriebsspannung über eine Minute oder länger langsam angelegt, um stressbedingte Frakturen der Kathodenheizungen zu verhindern. Heizleistung kann während der Standby-Zeit für die Maschine eingeschaltet sein, wobei die Vorräte mit Hochspannungsplatten ausgeschaltet sind. Randtests wurden in Subsysteme eines Vakuumrohrcomputers eingebaut. Durch das Absenken von Platten- oder Heizungsspannungen und Tests auf ordnungsgemäße Betrieb konnten Komponenten bei einem frühen Versagen erfasst werden. Um alle Stromversorgungsspannungen zu regulieren und zu verhindern, dass Überspannungen und Einbrüche aus dem Stromnetz beeinflussen, wurde die Leistung von einem Motorgenerator abgeleitet, der die Stabilität und Regulierung von Spannungen zur Leistungsversorgung verbesserte.

Zwei breite Arten von Logikschaltungen wurden zum Bau von Vakuumrohrcomputern verwendet. Der "asynchrone" oder direkte DC-gekoppelte Typ verwendete nur Widerstände, um sich zwischen logischen Toren und innerhalb der Tore selbst zu verbinden. Die Logikwerte wurden durch zwei weit getrennte Spannungen dargestellt. In der Art der Logik "Synchron" oder "dynamischer Impuls" wurde jede Stufe von Pulsnetzwerken wie Transformatoren oder Kondensatoren gekoppelt. Jedes Logikelement hatte einen "Uhr" -Puls angelegt. Die Logikzustände wurden während jedes Taktintervalls durch das Vorhandensein oder Abwesenheit von Impulsen dargestellt. Asynchrone Designs könnten möglicherweise schneller funktionieren, erforderten jedoch mehr Schaltkreise, um vor Logik "Rassen" zu schützen, da unterschiedliche logische Pfade eine unterschiedliche Ausbreitungszeit von Eingabe bis zu stabiler Ausgabe hätten. Synchrone Systeme vermieden dieses Problem, benötigten jedoch zusätzliche Schaltkreise, um ein Taktsignal zu verteilen, das möglicherweise mehrere Phasen für jede Stufe der Maschine aufweist. Direktgekoppelte Logikstadien waren etwas empfindlich für Drift-Komponentenwerte oder kleine Leckströme, aber die binäre Art des Betriebs ergab Schaltungen erhebliche Marge gegen Fehlfunktionen aufgrund von Drift.[3] Ein Beispiel für einen "Impuls" (synkron), war das MIT Wirbelwind. Die IAS -Computer (Ilikat und andere) verwendeten asynchrone, direkt gekoppelte Logikstadien.

Rohrcomputer hauptsächlich verwendet Triodes und Pentoden als Wechsel und Verstärkung von Elementen. Mindestens ein speziell ausgestattetes Gatingrohr hatte zwei Kontrollgitter mit ähnlichen Eigenschaften, sodass es direkt einen Zwei-Eingabereien implementieren konnte Und Tor.[3] Thyratrons wurden manchmal verwendet, wie zum Beispiel zum Antrieb von E/A -Geräten oder zum Vereinfachung der Entwurf von Riegel und Haltungsregistern. Oft nutzten Vakuumrohrcomputer ausführlich mit Festkörperdioden ("Kristall") zur Durchführung UND und ODER Logikfunktionen und nur Vakuumröhrchen verwendeten, um Signale zwischen Stufen zu verstärken oder Elemente wie Flip-Flops, Zähler und Register zu konstruieren. Die Festkörperdioden reduzierten die Größe und den Stromverbrauch der Gesamtmaschine.

Speichertechnologie

Frühe Systeme verwendeten eine Vielzahl von Gedächtnistechnologien, bevor sie sich endgültig einsetzten Magnetkerngedächtnis. Das Atanasoff -berry -Computer von 1942 gespeicherte numerische Werte als Binärzahlen in einer revolvierenden mechanischen Trommel mit einer speziellen Schaltung, um diesen "dynamischen" Speicher bei jeder Revolution zu aktualisieren. Die Kriegszeit Eniac Könnte 20 Zahlen speichern, aber die verwendeten Vakuumrohrregister waren zu teuer, um mehr als ein paar Zahlen zu speichern. EIN Computerprotokollcomputer war unerreichbar, bis eine wirtschaftliche Form des Gedächtnisses entwickelt werden konnte. Maurice Wilkes gebaut Edsac 1947, das ein Quecksilber hatte Verzögerungsspeicher Das könnte jeweils 32 Wörter von 17 Bit speichern. Da der Verzögerungsspeicher von Natur aus seriell organisiert war, war auch die Maschinenlogik bit-seriell.[4]

Quecksilber Verzögerungsspeicher wurde benutzt von J. Presper Eckert in dem Edvac und Univac i. Eckert und John Mauchly Erhielt 1953 ein Patent für die Verzögerungsspeicher. Das Univac I (1951) verwendete sieben Speichereinheiten, die jeweils 18 Säulen aus Quecksilber enthalten, und speichert jeweils 120 Bit. Dies lieferte einen Speicher von 1000 12-Charakter-Wörtern mit einer durchschnittlichen Zugriffszeit von 300 Mikrosekunden.[5] Dieses Speichersubsystem bildete einen eigenen begehbaren Raum.

Williams Tube aus einem IBM 701 am Computergeschichte Museum

Williams Tubes waren die ersten wahren Arbeitsspeicher Gerät. Das Williams-Röhrchen zeigt ein Punktnetz auf einem Kathodenstrahlrohr (CRT), wodurch über jeden Punkt eine geringe Ladung des statischen Stroms erzeugt wird. Die Ladung an der Stelle jeder Punkte wird durch ein dünnes Metallblech direkt vor dem Display gelesen. Frederic Calland Williams und Tom Kilburn Beantragte Patente für das Williams Tube im Jahr 1946. Das Williams -Röhrchen war viel schneller als die Verzögerungslinie, litt jedoch unter Zuverlässigkeitsproblemen. Das Univac 1103 Verwendete 36 Williams -Röhrchen mit einer Kapazität von jeweils 1024 Bits, was einen Gesamt -Zufallszugriffsgedächtnis von jeweils 1024 Wörtern von jeweils 36 Bit ergibt. Die Zugangszeit für Williams-Tube-Speicher auf der IBM 701 war 30 Mikrosekunden.[5]

Magnetisch Drum -Speicher wurde 1932 erfunden von Gustav Tauschek in Österreich.[6][7] Eine Trommel bestand aus einem großen, schnell rotierenden Metallzylinder mit a ferromagnetisch Aufnahmematerial. Die meisten Trommeln hatten eine oder mehrere Reihen fester Leseschreiberköpfe entlang der langen Achse der Trommel für jede Spur. Der Drum Controller wählte den richtigen Kopf aus und wartete darauf, dass die Daten darunter angezeigt wurden, als sich die Trommel umdrehte. Der IBM 650 hatte einen Drum-Speicher von 1000 bis 4000 10-stelligen Wörtern mit einer durchschnittlichen Zugriffszeit von 2,5 Millisekunden.

Magnetkerngedächtnis, 18 × 24 Bit, mit a US -Viertel

Magnetkerngedächtnis wurde von patentiert von Ein Wang Im Jahr 1951 verwendet Kern winzige magnetische Ringkerne, durch die Drähte zum Schreiben und Lesen von Informationen eingefädelt werden. Jeder Kern repräsentiert ein Stück Informationen. Die Kerne können auf zwei verschiedene Arten (im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn) magnetisiert werden, und das in einem Kern gespeicherte Bit ist abhängig von der Magnetisierungsrichtung des Kerns Null oder eins. Mit den Drähten kann ein einzelner Kern entweder auf eine oder eine Null eingestellt werden und seine Magnetisierung durch Senden geeigneter elektrischer Stromimpulse durch ausgewählte Drähte geändert werden. Der Kernspeicher bot neben einer viel höheren Zuverlässigkeit einen zufälligen Zugriff und eine höhere Geschwindigkeit. Es wurde schnell in Computern wie dem MIT/IBM verwendet Wirbelwind, wobei ein anfänglicher Speicherwörter von 1024 16-Bit-Speicher installiert wurden, das Williams-Röhrchen ersetzt. Ebenso das Univac 1103 wurde 1956 auf den 1103a aufgerüstet, wobei der Kerngedächtnis Williams Tubes ersetzte. Der auf dem 1103 verwendete Kernspeicher hatte eine Zugriffszeit von 10 Mikrosekunden.[5]

Siehe auch

Verweise

  1. ^ a b c Jack, Copeland, B. "Die moderne Geschichte des Computers". Plato.stanford.edu. Abgerufen 2018-04-29.
  2. ^ "Pressemitteilung: Physikalische Aspekte, Betrieb von ENIAC werden beschrieben" (PDF). Smithsonian - Nationales Museum der amerikanischen Geschichte. Kriegsministerium für Öffentlichkeitsarbeit. Abgerufen Dec 30, 2017.
  3. ^ a b Edward L. Braun, Digitales Computerdesign: Logik, Schaltkreis und Synthese. Academic Press, 2014, ISBN1483275736, S. 116–126.
  4. ^ Mark Donald Hill, Norman Paul Jouppi, Gurindar Sohi (Hrsg.), Lesungen in Computerarchitektur, Gulf Professional Publishing, 2000, ISBN1558605398, Seiten 3–4.
  5. ^ a b c Dasgupta, Subrata (2014). Es begann mit Babbage: Die Entstehung der Informatik. Oxford University Press. p. Vii. ISBN 978-0-19-930941-2. Abgerufen Dec 30, 2017.
  6. ^ US -Patent 2.080.100. Gustav Tauschek, Prioritätsdatum 2. August 1932, nachfolgend eingereicht alsDeutsches Patent DE643803"Elektromagnetischer Speicher für Zahlen und Andere Angaben, Beersners für BuchfÜhrungseinrichtungen" (elektromagnetisches Speicher für Zahlen und andere Informationen, insbesondere für Buchhaltungsinstitutionen).
  7. ^ Universität Klagenfurt (Hrsg.). "Magnetische Trommel". Virtuelle Ausstellungen in Informatik. Abgerufen 2011-08-21.