Компьютерра - Компьютерра PDA N143 (29.10.2011-04.11.2011)

Несмотря на массу усилий, полученные линии задержки были далеки от совершенства. До того момента, пока свой вариант не предложил Джон Экерт Младший. Направленный после окончания знаменитой школы инженеров-электронщиков Мура в физическую лабораторию Университета Пенсильвании, Экерт вплотную занялся радарными проблемами, и в частности линиями задержки. Эксперименты Экерта не прошли даром. Ему удалось найти вещество, удельное акустическое сопротивление которого совпадало с сопротивлением кварцевых пьезокристаллов - генератора и детектора звуковых волн на концах линии задержки. Этим веществом оказалась ртуть.

Будучи помещённой в стальную трубку, на концах которой расположены пьезокристаллы, ртуть работала переносчиком акустической волны от кристалла-генератора к кристаллу-детектору. Подобрав трубку нужной длины и диаметра, вмещающей требуемое количество ртути, можно было создать линию задержки, работающую с беспрецедентной точностью. Свое изобретение Экерт запатентовал. Дивиденды от этого патента позволили Экерту чуть позже начать собственный бизнес его мечты.

Мечтой инженера Экерта были компьютеры. В сороковые годы прошлого столетия успешные реализации цифровых ЭВМ можно было пересчитать по пальцам. Z3 - детище Конрада Цузе, британский "колосс" Mark 1 да узкоспециализированный компьютер ABC (Atanasoff-Berry Computer). Архитектуру этих машин и других попыток компьютеростроения Экерт знал наизусть. И горел желанием разработать собственный компьютер. Этой идеей Экерт заразил пришедшего учиться в Университет Пенсильвании Джона Мочли.

Экерт и Мочли

Тем более что задача, для которой требовался компьютер, была весьма актуальна: военному ведомству США нужна была машина для автоматизации расчётов таблиц стрельбы. В 1943 году Экерт и Мочли предлагают министерству обороны архитектуру компьютера ENIAC. Особенностью этой вычислительной машины было использование десятичной системы исчисления. Реализован ENIAC был в Лаборатории баллистических испытаний. Позже, в 1946 году, к тандему Экерта и Мочли присоединяется Джон фон Нейман, именем которого чуть позже назовут архитектуру компьютеров с хранимыми в памяти программами и данными - основу практически всех современных ЭВМ. Их совместным детищем стал компьютер EDVAC, разработка которого также финансировалась военными.

Накопив бесценный опыт создания компьютеров на благо обороноспособности Родины, Экерт и Мочли решают начать пожинать плоды трудов своих на полях частного бизнеса. Основанная ими в 1946 году Electronic Control Company чуть позже переименовывается в фирму имени себя любимых - Eckert-Mauchly Computer Corporation (EMCC). Напористый Экерт успешно находит первого крупного клиента - Бюро переписи населения США. Он убеждает работающих по старинке переписчиков в острой необходимости автоматизации их работы (на носу перепись 1950 года) и получает заказ на EDVAC II. Переманив много талантливых инженеров из школы Мура, Экерт и Мочли берутся за дело.

Сотрудники EMCC в 1949 году

Результатом их работы становится UNIVAC I, который в 1951 году и приобрело Бюро переписи. В UNIVAC Экерт развивает идеи фон Неймана о хранимой в памяти программе. В качестве долговременного запоминающего устройства в UNIVAC I используются бобины со стальной лентой. А вот для организации оперативной памяти изобретательный Экерт применяет свою давешнюю разработку - ртутную линию задержки. Как же устройство из радара попало в компьютер?

UNIVAC I представлял собой целый комплекс оборудования, занимающий отдельный этаж здания. Саркофаг слева - контейнер для хранения памяти на ртутных линиях задержки

Стоит отметить, что идея использования ртутной линии задержки, изобретённой Экертом в качестве оперативной памяти, принадлежала вовсе не ему. Впервые такой подход применили в 1949 году разработчики британского компьютера EDSAC. Вдохновленный идеей машины фон Неймана, заложенной в экертовский EDVAC, Морис Вилкес из математической лаборатории Кембриджского Университета вместе с командой единомышленников создает Electronic Delay Storage Automatic Calculator, в самом названии которого (Delay Storage) сквозит идея физической организации устройства хранения. Компьютер EDSAC во многих смыслах был экспериментальным. И именно в нём была впервые реализована идея превращения ртутной линии задержки в оперативную память.

Идея эта брала начало из простого вопроса: что, если в линии задержки выходной сигнал снова завернуть на вход? Электрические импульсы, соответствующие двоичной единице, превращённые в акустические волны, распространяемые по ртути, будут бесконечно циркулировать внутри линии задержки. Таким образом, она превращается в ячейку памяти. Только вот хранится в такой ячейке не один бит, а сразу несколько. Ведь пьезоэлемент на входе линии задержки может создать сразу несколько акустических волн, двигающихся друг за другом к детектору.

Для считывания конкретного бита из линии задержки Экерт предложил использовать тактовый генератор - метроном, синхронизированный с частотой распространения акустических волн. Электрический сигнал, полученный из определённой акустической волны, в нужный такт параллельно с движением на вход линии задержки считывался и усиливался, попадая в регистр арифметико-логического устройства.

Общая память компьютера состояла из множества линий задержки, объединённых в регистры. И память эта была воистину оперативной. Без подачи электричества на пьезокристаллы и выходной усилитель акустические волны внутри ртутной трубки затухали.

Идея памяти на ртутных линиях задержки, апробированная в британском EDSAC, была тщательно доработана Экертом в его коммерческом UNIVAC I.

Суммарно память компьютера Экерта состояла из тысячи слов, которые непрерывно циркулировали в ста ртутных линиях задержки, каждая из которых поддерживала хранение десяти слов.

Всего же в UNIVAC I было реализовано сто двадцать шесть ртутных линий задержки, объединённых в семь контейнеров по восемнадцать ртутных трубок в каждом. Сто из этих трубок были оперативной памятью UNIVAC. Двенадцать использовались для промежуточного хранения данных ввода-вывода. Ещё шесть были резервными.

Семь специально выделенных линий задержки использовались в качестве регистров схемы термостатов, подключённых к семи контейнерам со ртутными трубками.

Последняя сто двадцать шестая ртутная трубка использовалась в качестве регистра Y для организации косвенной адресации.

Семь контейнеров модуля памяти UNIVAC I содержали сто двадцать шесть ртутных линий задержки

Разрабатывая коммерческий вариант памяти на ртутных линиях задержки, Экерт столкнулся с массой проблем. Наиболее важными из них были задачи: точного позиционирования входных и выходных пьезокристаллов для исключения отражения акустических волн от стенок трубки, приводящих к интерференции, и поддержания постоянной и достаточно высокой (около сорока градусов Цельсия) температуры ртути. Именно при этой температуре акустическое сопротивление ртути было "созвучно" сопротивлению пьезокристаллов. Как результат контейнер с ртутными трубками представлял собой сложное инженерное устройство с массой винтов для калибровки положения ртутных трубок, расширительным бачком для излишков ртути и термостатом, автоматически управляющим её температурой.