1948年のIBMシステム製真空管フリップフロップモジュールの起動

1948年のIBMシステム製真空管フリップフロップモジュールの起動 1948年、IBMはIBM 604 Electronic Calculating Punchを発表しました。この機械は、ダブル冷蔵庫ほどの大きさのプログラム可能な計算機でした。コンピュータとまでは言えませんでしたが、プラグボードにワイヤーを差し込むことでプログラムできました。この機械はパンチカードから数値を読み取り、最大60回の計算を実行し、カードに穴を開けることで結果を記録しました。1枚のカードを1分間に100枚処理し、IBMはこれを150人のエンジニアに相当すると宣伝しました。月額550ドルでレンタルされ、非常に人気があり、5600台以上が生産されました。IBM 604 Electronic Calculating Punch。Ed Thelen氏のIBM 604のページからの写真。 IBM 604はトランジスタが発明された直後に出ましたが、トランジスタを使用するには早すぎました。当時、計算機やコンピュータは、遅い電気機械部品から高速な真空管へと移行していました。604の革新の一つは、真空管とその関連回路をプラグ可能なモジュールに統合したことでした。上の写真の左側を見ると、ハンドルの突き出たモジュールの列が見え、故障したモジュールを簡単に交換できるようになっています。銀色の金属カバーの後ろにもっと多くのモジュールがあります。合計で、IBM 604は約1300本の真空管を使用しました。下の写真は、絶縁ハンドル下の真空管が付いたプラグ可能なチューブモジュールを示しています。モジュールの底部の9本のピンは、604内のソケットに差し込まれ、ソケットはバックプレーン配線で接続されていました。真空管もソケット式だったので、不良管は素早く交換できました。左側では、抵抗器とコンデンサが絶縁ウェーハに取り付けられています。モジュールは、コンポーネントを3次元に詰め込むことで、回路を実装する高密度な方法を提供しました。 IBM 604 Electronic Calculating PunchのTR-3トリガーモジュール。各プラグ可能なチューブモジュールは、インバータ、アンプ、またはパワードライバなどの特定の機能を実装していました。上のモジュールは「トリガー」モジュール、タイプTR-3です。トリガーは、オンとオフの2つの状態を持つ回路で、一方の状態から他方の状態に切り替えることができ、1ビットの一時的なストレージを提供します。（現代の用語では、これはフリップフロップと呼ばれます。）トリガーは、タイミング信号を生成しパルスを格納するために、604の重要なビルディングブロックでした。IBM 604での演算は、TR3トリガーから構築された十進カウンタで実装されていました。この記事では、TR-3トリガーモジュールの回路について説明します。（以前、604のサイラトロンモジュールについて書きましたが、これは別のモジュールです。）モジュールをリバースエンジニアリングした後、電源を投入しました。上のビデオは、動作中のモジュールを示しています。ボタンを押すことで、トリガーを一方の状態から他方の状態に切り替えます。光るオレンジ色のネオン電球がトリガーモジュールの状態を示しています。トリガーの根本的な特徴は、もう一方のボタンを押すまで状態を維持することです。これは些細なことのように見えるかもしれませんが、情報を格納する能力は計算にとって非常に重要です。 真空管の仕組み トリガーモジュールは一般的な三極管と呼ばれる真空管を使用しており、弱い信号を増幅して強い信号を制御します。下の図は、三極管の構造を示しています。ヒーターはフィラメントで、白熱電球に似ており、カソードを約750℃に加熱します。この高温で、カソードは電子を放出します。プレートに大きな正電圧（例えば150ボルト）がかかると、負に帯電した電子はプレートに引き寄せられます。カソードからプレートへの電子の流れにより、チューブを流れる電流が発生します。空気が電子を遮断するため、壊れやすいガラスエンベロープが真空を保持し、真空管の名前の由来となっています。電流はグリッドによって制御されます：グリッドに小さな負電圧がかかると、負の電子を反発し、プレートに到達するのを防ぎ、チューブを流れる電流を遮断します。3このように、グリッドへの小さな信号がチューブを流れる大きな電流を制御します。 三極管の構成要素。IBM 604カスタマーエンジニアリングマニュアルより。 真空管の利点は、毎秒数百万回オンオフできることで、リレーのような電気機械デバイスよりも驚異的に高速でした。IBM 604のクロックスピードは50キロヘルツで、真空管が処理できる速度よりはるかに低いですが、同時代のIBM 407のような電気機械式会計機での50ヘルツのパルスより3桁高速でした。モジュールで使用したチューブは2033と呼ばれています。6このチューブは双三極管で、2つの三極管を1つの物理的なガラス管にまとめています。双三極管は、回路の密度を倍増させるため、非常に人気がありました。下の写真では、2つの垂直な黒い構造が2つの三極管のプレートです。他の構造はプレートの内側にあるため見えません。 2033双三極管。このチューブは「ミニチュア」真空管で、ガラスエンベロープの底部の7つのピンを含めて約5cmの長さです。4単一の三極管は5つの接続を持っているので、双三極管がなぜ10本ではなく7本のピンで済むのか不思議に思うかもしれません。そのトリックは、両方の三極管がカソードとヒーターの接続を共有していることで、これはチューブを別々のカソードを必要としないアプリケーションに限定します。真空管の欠点の一つは、ヒーターがかなりの電力を消費することです。このチューブのヒーターは6.3ボルトで300ミリアンペアを必要とします — チューブあたり約2ワットです。6.3ボルトという値は少しランダムに見えるかもしれませんが、多くの真空管が歴史的な理由でこの電圧を使用しました：これは典型的な6ボルトの自動車用バッテリーが供給する電圧でした。5下の写真では、プレートにほとんど隠れていますが、上下に見える2つのヒーターからのオレンジ色の輝きを見ることができます。 ヒーターが点灯し、フィラメントが光っている様子。 インバータとトリガー回路 トリガー回路は2つのインバータに基づいているため、まずチューブインバータ回路を説明します。7インバータのアイデアは、入力信号を増幅して反転することです：「ロー」入力は「ハイ」出力になり、その逆も同様です。まず、ロー入力について考えます：グリッドに負電圧がかかると、電子の流れがブロックされ、チューブがオフになります。この場合、抵抗器は出力を150ボルトでハイに引き上げます。しかし、グリッドに正電圧がかかると、チューブがオンになり電流が流れます。この電流は、抵抗器にかかる電圧降下により出力を引き下げ、50ボルトのロー出力となります。したがって、ロー入力はハイ（150V）出力を引き起こし、ハイ入力はロー（50V）出力を引き起こし、望ましいインバータ動作を提供します。入力信号の変動が50ボルトを超えることに注意してください。これはトランジスタ回路と比較して非常に大きいです。さらに、出力電圧は入力電圧よりもはるかに高いため、回路を接続する際にはやや不便です。 インバータ回路。IBM 604 CEマニュアルから改変。 トリガーは2つのインバータをループ状に接続して構築されます。最初のインバータの出力は2番目のインバータに入力され、2番目のインバータの出力は最初のインバータにフィードバックされます。最初のインバータが高い出力を出している場合、2番目のインバータは低い出力を出し、それが最初のインバータにフィードバックされ、最初のインバータの高い出力を維持します。最初のインバータが低い出力を出している場合も同様ですが、逆の状況になります。このように、この回路は、一方のインバータがオンで他方がオフという2つの安定状態を持ちます。8回路が一方の状態に置かれると、もう一方の状態に強制されるまでその状態を維持します。ループ状の2つのインバータは、0または1を格納できます。 私はTR-3モジュールをリバースエンジニアリングし、以下の回路図を作成しました。92つのインバータが1つのチューブを共有し、クロス結合された配置で配線されているため、インバータのループを見るのは少し難しいです。要するに、一方のインバータはチューブの左半分を使用し、もう一方は右半分を使用します。一方の側のプレート出力は、200Kと1Kの抵抗器を通して、もう一方の側のグリッド入力に配線されています。2つのモジュール出力（ピン7と8）はプレートから取得されます。