1948年のIBMシステム用真空管フリップフロップモジュールの通電

1948年のIBMシステム用真空管フリップフロップモジュールの通電 1948年、IBMは604型電子計算パンチを発表しました。この機械は、ダブル冷蔵庫ほどの大きさのプログラマブル計算機でした。厳密にはコンピューターではありませんでしたが、プラグボードにワイヤーを接続することでプログラム可能でした。この機械はパンチカードから数値を読み取り、これらの数値に対して最大60回の計算を実行し、カードに穴をパンチして結果を記録しました。1分間に100枚のカードを処理し、1秒あたり1枚以上を処理したため、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、5600台以上が生産されるほど非常に人気がありました。2 IBM 604型電子計算パンチ。Ed Thelen氏のIBM 604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登場したため、トランジスタを使用するには時期尚早でした。当時、計算機やコンピューターは、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イン可能なモジュールに統合したことでした。上の写真の左側には、ハンドルが突き出たこれらのモジュールの列が見え、故障したモジュールの交換を容易にしています。銀色の金属カバーの後ろにもモジュールがあります。合計で、IBM 604は約1300個の真空管を使用しました。下の写真は、真空管が絶縁ハンドル下にあるプラグ可能なチューブモジュールを示しています。モジュールの底にある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になっていたため、不良管は迅速に交換できました。左側には、絶縁ウェーハに取り付けられた抵抗器とコンデンサがあります。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、回路を実装するための高密度な方法を提供しました。 IBM 604型電子計算パンチの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、インバーター、アンプ、またはパワードライバーなどの特定の機能を実装していました。上記のモジュールは「トリガー」モジュール、タイプTR-3です。トリガーとは、オンとオフの2つの状態を持つ回路であり、一方の状態から他方の状態に切り替えることができ、一時的なストレージとして1ビットを提供します。（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での算術演算は、TR3トリガーから構築された十進数カウンター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、通電しました。上のビデオは、モジュールの動作を示しています。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。オレンジ色に光るネオン電球が、トリガーモジュールの状態を示しています。トリガーの基本的な特徴は、もう一方のボタンを押すまで、ある状態にとどまることです。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、一般的なタイプの真空管である三極管を使用しており、弱い信号を増幅してより強い信号を制御します。下の図は、三極管真空管の構造を示しています。ヒーターはフィラメントであり、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、負の電荷を帯び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。空気は電子を遮断するため、壊れやすいガラスエンベロープは真空を保持しており、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の大きな電流を制御します。 三極管真空管の構成要素。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桁違いに速かったことです。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、同時代の電気機械式会計機であるIBM 407の50ヘルツパルスよりも3桁速いものでした。モジュールで使用した真空管は2033という型番です。6この真空管は双三極管であり、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双三極管真空管。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にある7本のピンを含めて約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疑問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、別々のカソードを必要としないアプリケーションにチューブを限定しています。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、つまりチューブあたり約2ワットを必要とします。6.3ボルトを使用するのは少しランダムに思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、6ボルトの自動車用バッテリーが供給する典型的な電圧でした。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。 インバーターとトリガー回路 トリガー回路は2つのインバーターに基づいているため、まずチューブインバーター回路について説明します。7インバーターのアイデアは、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ー動作を提供します。入力信号の電圧スイングは50ボルトを超えており、トランジスタ回路と比較して非常に大きいことに注意してください。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。 インバーター回路。IBM 604 CEマニュアルより転載。 トリガーは2つのインバーターをループ状に接続して構築されます。最初のインバーターの出力は2番目のインバーターに入力され、2番目のインバーターの出力は最初のインバーターにフィードバックされます。最初のインバーターが高い出力を出している場合、2番目のインバーターは低い出力を出し、それが最初のインバーターにフィードバックされ、最初のインバーターからの高い出力を維持します。最初のインバーター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2つの安定状態を持ち、一方のインバーターがオンで他方がオフになります。8回路が一度状態に入ると、他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つのインバーターは、0または1を格納できます。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つのインバーターが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、インバーターのループを見るのは少し難しいです。簡単に言うと、一方のインバーター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および1K抵抗を介して、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。