Computadora de tubo de vacío - Vacuum tube computer
Una computadora de tubo de vacío , ahora denominada computadora de primera generación , es una computadora que usa tubos de vacío para circuitos lógicos. Aunque fueron reemplazadas por computadoras transistorizadas de segunda generación , las computadoras de tubo de vacío continuaron construyéndose en la década de 1960. Estas computadoras eran en su mayoría diseños únicos.
Desarrollo
Eccles y Jordan describieron el uso de amplificadores de válvulas de acoplamiento cruzado para producir un tren de pulsos en 1918. Este circuito se convirtió en la base del flip-flop , un circuito con dos estados que se convirtió en el elemento fundamental de las computadoras digitales binarias electrónicas. .
La computadora Atanasoff-Berry , un prototipo de la cual se demostró por primera vez en 1939, ahora se acredita como la primera computadora con tubo de vacío. Sin embargo, no era una computadora de propósito general que solo pudiera resolver un sistema de ecuaciones lineales y tampoco era muy confiable.
Durante la Segunda Guerra Mundial, se utilizaron computadoras digitales de tubos de vacío de propósito especial como Colossus para descifrar los cifrados alemanes y japoneses. La inteligencia militar recopilada por estos sistemas fue esencial para el esfuerzo de guerra aliado. Cada Colossus utilizó entre 1.600 y 2.400 tubos de vacío. La existencia de la máquina se mantuvo en secreto y el público desconocía su aplicación hasta la década de 1970.
También durante la guerra, Konrad Zuse estaba desarrollando computadoras binarias electromecánicas . El establecimiento militar alemán durante la guerra no dio prioridad al desarrollo informático. En 1942 se desarrolló un circuito informático electrónico experimental con alrededor de 100 tubos, pero se destruyó en un ataque aéreo.
En los Estados Unidos, el trabajo en la computadora ENIAC comenzó a fines de la Segunda Guerra Mundial. La máquina se completó en 1945. Aunque una aplicación que motivó su desarrollo fue la producción de mesas de tiro para artillería, uno de los primeros usos de ENIAC fue realizar cálculos relacionados con el desarrollo de una bomba de hidrógeno . ENIAC se programó con tableros de conexiones e interruptores en lugar de un programa almacenado electrónicamente. Una serie de conferencias de posguerra que divulgaban el diseño de ENIAC, y un informe de John von Neumann sobre un sucesor previsible de ENIAC, Primer borrador de un informe sobre el EDVAC , se distribuyeron ampliamente y fueron influyentes en el diseño del vacío de posguerra. computadoras de tubo.
La Ferranti Mark 1 (1951) se considera la primera computadora comercial de tubos de vacío. La primera computadora producida en serie fue la IBM 650 (1953).
Problemas de diseño
La tecnología de los tubos de vacío requería una gran cantidad de electricidad. La computadora ENIAC (1946) tenía más de 17.000 tubos y sufría una falla en el tubo (que tardaría 15 minutos en localizarse) en promedio cada dos días. En funcionamiento, el ENIAC consumió 150 kilovatios de energía, de los cuales 80 kilovatios se utilizaron para calentar tubos, 45 kilovatios para fuentes de alimentación de CC, 20 kilovatios para ventiladores y 5 kilovatios para equipos auxiliares de tarjeta perforada.
Debido a que la falla de cualquiera de los miles de tubos en una computadora podría resultar en errores, la confiabilidad del tubo era de gran importancia. Se construyeron tubos de calidad especial para el servicio informático, con estándares más altos de materiales, inspección y pruebas que los tubos receptores estándar.
Un efecto de la operación digital que rara vez apareció en circuitos analógicos fue el envenenamiento por cátodos . Los tubos de vacío que funcionaban durante intervalos prolongados sin corriente de placa desarrollarían una capa de alta resistividad en los cátodos, reduciendo la ganancia del tubo. Se requirieron materiales especialmente seleccionados para los tubos de computadora para evitar este efecto. Para evitar tensiones mecánicas asociadas con el calentamiento de los tubos a la temperatura de funcionamiento, a menudo se aplicaba lentamente el voltaje de funcionamiento completo a los calentadores de tubo, durante un minuto o más, para evitar fracturas relacionadas con la tensión de los calentadores de cátodo. La energía del calentador podría dejarse encendida durante el tiempo de espera de la máquina, con los suministros de placas de alto voltaje apagados. Las pruebas marginales se integraron en subsistemas de una computadora de tubo de vacío; Si se reducen los voltajes de la placa o del calentador y se comprueba su correcto funcionamiento, se pueden detectar los componentes con riesgo de avería prematura. Para regular todos los voltajes de la fuente de alimentación y evitar que las sobrecargas y caídas de la red eléctrica afecten el funcionamiento de la computadora, la energía se obtuvo de un grupo motor-generador que mejoró la estabilidad y regulación de los voltajes de la fuente de alimentación.
Se utilizaron dos amplios tipos de circuitos lógicos en la construcción de computadoras de tubos de vacío. El tipo "asincrónico" o directo, acoplado a CC solo usaba resistencias para conectarse entre las puertas lógicas y dentro de las propias puertas. Los niveles lógicos estaban representados por dos voltajes muy separados. En el tipo de lógica "síncrona" o "pulso dinámico", cada etapa estaba acoplada por redes de pulsos como transformadores o condensadores. A cada elemento lógico se le aplicó un pulso de "reloj". Los estados lógicos fueron representados por la presencia o ausencia de pulsos durante cada intervalo de reloj. Los diseños asincrónicos podrían operar potencialmente más rápido, pero requerían más circuitos para protegerse contra las "carreras" lógicas, ya que diferentes rutas lógicas tendrían un tiempo de propagación diferente desde la entrada hasta la salida estable. Los sistemas síncronos evitaron este problema, pero necesitaban circuitos adicionales para distribuir una señal de reloj, que podría tener varias fases para cada etapa de la máquina. Las etapas lógicas de acoplamiento directo eran algo sensibles a la desviación en los valores de los componentes o las pequeñas corrientes de fuga, pero la naturaleza binaria de la operación daba a los circuitos un margen considerable contra el mal funcionamiento debido a la desviación. Un ejemplo de un cálculo de "pulso" (sincrónico) fue el MIT Whirlwind . Las computadoras IAS ( ILLIAC y otras) utilizaron etapas lógicas asíncronas de acoplamiento directo.
Las computadoras de tubo usaban principalmente triodos y pentodos como elementos de conmutación y amplificación. Al menos un tubo de compuerta especialmente diseñado tenía dos rejillas de control con características similares, lo que le permitió implementar directamente una compuerta AND de dos entradas . A veces se usaban tiratrones , como para controlar dispositivos de E / S o para simplificar el diseño de pestillos y registros de retención. A menudo, las computadoras de tubo de vacío hacían un uso extensivo de diodos de estado sólido ("cristal") para realizar funciones lógicas Y y OR , y solo usaban tubos de vacío para amplificar señales entre etapas o para construir elementos como flip-flops, contadores y registros. Los diodos de estado sólido redujeron el tamaño y el consumo de energía de la máquina en general.
Tecnología de memoria
Los primeros sistemas utilizaron una variedad de tecnologías de memoria antes de finalmente establecerse en la memoria de núcleo magnético . La computadora Atanasoff-Berry de 1942 almacenaba valores numéricos como números binarios en un tambor mecánico giratorio, con un circuito especial para refrescar esta memoria "dinámica" en cada revolución. El ENIAC en tiempo de guerra podía almacenar 20 números, pero los registros de tubo de vacío utilizados eran demasiado caros de construir para almacenar más de unos pocos números. Una computadora con programa almacenado estaba fuera de su alcance hasta que se pudiera desarrollar una forma económica de memoria. Maurice Wilkes construyó EDSAC en 1947, que tenía una memoria de línea de retardo de mercurio que podía almacenar 32 palabras de 17 bits cada una. Dado que la memoria de la línea de retardo estaba organizada de forma inherente en serie, la lógica de la máquina también era en serie de bits.
Mercurio memoria de línea de retardo fue utilizado por J. Presper Eckert en el EDVAC y UNIVAC I . Eckert y John Mauchly recibieron una patente para la memoria de línea de retardo en 1953. Los bits de una línea de retardo se almacenan como ondas sonoras en el medio, que viajan a una velocidad constante. El UNIVAC I (1951) usó siete unidades de memoria, cada una con 18 columnas de mercurio, almacenando 120 bits cada una. Esto proporcionó una memoria de 1000 palabras de 12 caracteres con un tiempo de acceso promedio de 300 microsegundos. Este subsistema de memoria formó su propia sala de entrada.
Los tubos de Williams fueron el primer dispositivo de memoria de acceso aleatorio verdadero . El tubo de Williams muestra una cuadrícula de puntos en un tubo de rayos catódicos (CRT), creando una pequeña carga de electricidad estática sobre cada punto. La carga en la ubicación de cada uno de los puntos se lee mediante una delgada hoja de metal justo en frente de la pantalla. Frederic Calland Williams y Tom Kilburn solicitaron patentes para el Williams Tube en 1946. El Williams Tube era mucho más rápido que la línea de retardo, pero tenía problemas de confiabilidad. El UNIVAC 1103 usó 36 tubos Williams con una capacidad de 1024 bits cada uno, dando una memoria de acceso aleatorio total de 1024 palabras de 36 bits cada uno. El tiempo de acceso a la memoria Williams Tube en el IBM 701 fue de 30 microsegundos.
La memoria de tambor magnético fue inventada en 1932 por Gustav Tauschek en Austria. Un tambor consistía en un gran cilindro de metal que giraba rápidamente recubierto con un material de grabación ferromagnético . La mayoría de los tambores tenían una o más filas de cabezales de lectura y escritura fijos a lo largo del eje largo del tambor para cada pista. El controlador de batería seleccionó el parche adecuado y esperó a que aparecieran los datos debajo mientras giraba el tambor. El IBM 650 tenía una memoria de tambor de 1000 a 4000 palabras de 10 dígitos con un tiempo de acceso promedio de 2,5 milisegundos.
La memoria de núcleo magnético fue patentada por An Wang en 1951. El núcleo utiliza pequeños núcleos de anillo magnético, a través de los cuales se enhebran cables para escribir y leer información. Cada núcleo representa un bit de información. Los núcleos se pueden magnetizar de dos formas diferentes (en sentido horario o antihorario) y el bit almacenado en un núcleo es cero o uno, dependiendo de la dirección de magnetización de ese núcleo. Los cables permiten que un núcleo individual se establezca en uno o en cero y que se cambie su magnetización enviando pulsos de corriente eléctrica apropiados a través de cables seleccionados. La memoria central ofrecía acceso aleatorio y mayor velocidad, además de una confiabilidad mucho mayor. Rápidamente se utilizó en computadoras como MIT / IBM Whirlwind, donde se instalaron 1024 palabras iniciales de memoria de 16 bits en sustitución de los tubos Williams. Del mismo modo, el UNIVAC 1103 se actualizó al 1103A en 1956, con la memoria central reemplazando los tubos Williams. La memoria central utilizada en el 1103 tenía un tiempo de acceso de 10 microsegundos.
Ver también
- Historia del hardware informático
- Lista de computadoras de tubo de vacío
- Tubo de vacío 7AK7
- Computadora con programa almacenado