La computadora DRTE era una computadora transistorizada construida en el Establecimiento de Telecomunicaciones de Investigación de Defensa (DRTE), parte de la Junta Canadiense de Investigación de Defensa . Fue una de las primeras máquinas totalmente transistorizadas, que se ejecutó en forma de prototipo en 1957 y se desarrolló completamente en 1960. [1] Aunque el rendimiento fue bastante bueno, igual al de máquinas contemporáneas como la PDP-1 , ningún proveedor comercial nunca asumió el diseño y la única venta potencial a los Laboratorios Navales del Pacífico de la Armada canadiense fracasó. Actualmente, la máquina forma parte de la colección nacional canadiense de ciencia y tecnología ubicada en el Museo de Ciencia y Tecnología de Canadá .
A principios de la década de 1950, los transistores aún no habían reemplazado a los tubos de vacío en la mayoría de los dispositivos electrónicos. Los tubos variaban mucho en sus características reales de un tubo a otro, incluso del mismo modelo. Los ingenieros habían desarrollado técnicas para garantizar que el circuito general no fuera demasiado sensible a estos cambios para que pudieran reemplazarse sin causar problemas. Las mismas técnicas aún no se habían desarrollado para sistemas basados en transistores; simplemente eran demasiado nuevas. Si bien los circuitos más pequeños podían "sintonizarse manualmente" para funcionar, no se entendían bien los sistemas más grandes que utilizaban muchos transistores. Al mismo tiempo, los transistores todavía eran caros; un tubo cuesta alrededor de 0,75 dólares, mientras que un transistor similar cuesta alrededor de 8 dólares. Esto limitó la cantidad de experimentación que la mayoría de las empresas podían realizar.
DRTE se formó originalmente para mejorar los sistemas de comunicaciones y, con este fin, comenzaron un programa de investigación sobre el uso de transistores en circuitos complejos en un nuevo laboratorio de electrónica bajo la dirección de Norman Moody . Entre 1950 y 1960, el Laboratorio de Electrónica se convirtió en un importante centro de excelencia en el campo de los transistores y, a través de un programa de extensión, el Comité de Investigación y Desarrollo de Componentes Electrónicos pudo transmitir sus conocimientos a ingenieros visitantes de las principales empresas de electrónica canadienses que estaban entrando en el campo de los transistores.
El desarrollo clave que condujo a la eventual construcción de la computadora fue la invención de Moody's de un nuevo tipo de circuito flip-flop , un componente clave de todos los sistemas informáticos. El diseño de Moody's utilizó una unión PNPN , que consta de un transistor PNP y NPN conectados espalda con espalda. La mayoría de las máquinas de la época utilizaban chanclas Eccles-Jordan; Originalmente, este era un concepto basado en válvulas que se utilizaba reemplazando las válvulas con transistores. El circuito PNPN ofrecía una potencia de salida mucho mayor, lo que le permitía controlar una mayor cantidad de circuitos "descendentes" sin amplificadores adicionales. El efecto general fue reducir, a veces en gran medida, el número total de transistores necesarios para implementar un circuito digital. Moody publicó su circuito en 1956.
Una desventaja, de la que sólo nos dimos cuenta más tarde, es que el consumo de corriente del flip-flop de Moody's no estaba equilibrado, por lo que almacenar diferentes números en ellos podría generar necesidades de corriente dramáticamente diferentes en el suministro de energía. Generalmente, este tipo de carga cambiante es algo que debe evitarse siempre que sea posible para reducir el ruido generado cuando el consumo de energía aumenta o disminuye. A niveles de potencia muy bajos, como en una computadora, estos pulsos de ruido pueden ser tan poderosos como las propias señales.
Aunque parece que nunca fue una recomendación oficial, a mediados de la década de 1950 el DRTE decidió que la mejor manera de desarrollar realmente técnicas de transistores en un sistema complejo era construir una computadora. Esto no era algo que necesitaran para su propio uso en ese momento, era simplemente un ejemplo de un sistema extremadamente complejo que probaría sus capacidades como pocos otros sistemas podían hacerlo. Pero a medida que el desarrollo continuó, muchos de los ingenieros involucrados se interesaron más en el diseño de computadoras que en la electrónica. Esto estaba fuera de los estatutos del DRTE y eventualmente fue una fuente de fricción entre el grupo y el DRB que los financió.
Aproximadamente a partir de 1955, David Florida impulsó el desarrollo de una computadora utilizando el diseño flip-flop de Moody. Examinó los diseños de computadoras existentes y concluyó que la principal limitación en la complejidad de las computadoras se debía en gran medida a la tasa de desgaste de los tubos; un diseño más potente requería más tubos, lo que significaba quemaduras más frecuentes. Aunque se habían construido varias máquinas verdaderamente enormes, como SAGE , la mayoría de las máquinas eran mucho más pequeñas para mejorar el tiempo de actividad. Con los transistores se eliminó esta limitación; Se podían construir máquinas más complejas con poco efecto sobre la confiabilidad, siempre que uno estuviera dispuesto a pagar el precio por más transistores. Con el precio de los transistores cayendo constantemente, el diseño de Florida incluía todas las características que imaginaba serían útiles en una máquina científica.
En particular, el diseño finalmente incluyó una serie de subsistemas para entrada/salida , un convertidor binario/decimal de hardware, [2] hardware de punto flotante que incluye una función de raíz cuadrada, varias instrucciones de bucle y registros de índice para soportarlos, y utilizó un formato de instrucción complejo de tres direcciones . El sistema de tres direcciones significaba que cada instrucción incluía la dirección de hasta dos operandos y el resultado. El sistema no incluía un acumulador y los resultados de todas las operaciones se escribían en la memoria principal. Esto era deseable en aquella época, cuando las memorias de los ordenadores eran generalmente comparables en velocidad a los procesadores (hoy en día la memoria es mucho más lenta que los procesadores).
Florida había trabajado anteriormente con el equipo que construyó el Manchester Mark 1 y, siguiendo su ejemplo, diseñó la máquina DRTE con palabras de 40 bits. Una instrucción se dividió en cuatro partes de 10 bits, la instrucción y tres direcciones de 10 bits. Esto permitió un tamaño total de memoria principal de 2^10 = 1024 palabras de 40 bits, o 40 kB en terminología moderna. Los números enteros usaban 39 bits y un bit para el signo, mientras que los números de coma flotante tenían un exponente de 8 bits con un bit para el signo y una mantisa de 32 bits con un bit para el signo. Florida consideró que el formato de instrucción de tres direcciones, incluidas las direcciones de dos parámetros y un resultado, haría que la programación fuera más fácil que un sistema basado en registros.
Una versión experimental de la máquina constaba de una unidad matemática básica y manejo de memoria. La construcción del sistema completo comenzó en 1958 y se completó en 1960. La máquina funcionaba con un bloqueo de ciclo de 5 microsegundos, o 200 kHz, bastante competitivo para una máquina de la época. Una adición de punto flotante tomó entre 50 y 365 microsegundos (μS). Las instrucciones más largas, división o raíz cuadrada, tardaron 5,3 milisegundos (ms) en coma flotante. Las sumas de enteros tomaron alrededor de 200 μS, pero otras operaciones se manejaron en subrutinas en lugar de hardware y tomaron mucho más tiempo; una división entera/raíz cuadrada requirió 8,2 ms, por ejemplo.
La computadora usaba memoria central para todo el almacenamiento, careciendo de sistemas "secundarios" como un tambor de memoria . Normalmente, la memoria de una máquina se construiría apilando varios conjuntos de núcleos, o "planos", cada uno de los cuales contendría un solo bit de la palabra de la máquina. Por ejemplo, con una palabra de 40 bits como en el DRTE, el sistema utilizaría 40 planos de núcleo. Las direcciones se buscarían traduciendo cada dirección de 10 bits en una dirección X e Y en los planos; para 1.024 palabras en el DTRE se necesitaban planos de 32 × 32.
Un problema con el uso del núcleo en la máquina DRTE era que el núcleo requería una potencia bastante alta para funcionar. Proporcionar dicha energía a partir de transistores, que en ese momento eran sólo de baja potencia, representó un gran desafío. Aunque una solución, comúnmente utilizada en ese momento, era construir la maquinaria central con tubos, para la máquina DRTE esto se consideró un desafío más en el diseño de transistores. La solución final, diseñada principalmente por Richard Cobbald, se basó completamente en transistores y luego se patentó.
Otra mejora introducida en su diseño central implicó el manejo del cable de lectura. Leer una ubicación en Core funciona activando la dirección en cuestión, como si quisieras escribir un "1" en esa ubicación. Si el núcleo ya tenía un "1", no sucederá nada. Sin embargo, si el núcleo tenía un "0", la energía hará que el núcleo cambie la polaridad a un "1". La pequeña cantidad de energía utilizada para hacer esto hace que se emita un pulso en un cable diferente, la línea de lectura. Entonces, para leer datos, escribe "1" en esa ubicación; si se ve un pulso en la línea de lectura, la ubicación originalmente tenía "0", y si no hay pulso significa que tenía "1".
Un problema con este sistema es que otros núcleos en las mismas líneas (X o Y) también emitirán una señal muy pequeña, enmascarando potencialmente la señal que se busca. La solución convencional era conectar la línea de lectura diagonalmente de un lado a otro a través del avión, de modo que estas señales más pequeñas se cancelaran: la señal positiva de una sería una señal negativa de la siguiente cuando el cable pasara a través de ella en la dirección opuesta. Sin embargo, esta solución también dificultó bastante el cableado del núcleo, y se invirtió una cantidad considerable de investigación en diversas formas de mejorar el costo del cableado del núcleo.
El diseño de Cobbald hizo lo que en retrospectiva parece un cambio obvio; el cable de lectura se pasó a través de los aviones en lugar de uno por avión. En este sistema, el cable de lectura realmente pasaba a través de un solo conjunto de líneas alimentadas, y los problemas de la "señal adicional" se evitaban por completo. No es del todo sorprendente que esta solución no se hubiera encontrado antes; Los núcleos se construyeron en un plano a la vez y luego se conectaron entre sí, mientras que este método requería que se construyera todo el núcleo antes de poder agregar los cables de lectura. El único inconveniente importante del diseño es que requería más potencia para funcionar.
Los dispositivos de E/S en el diseño DRTE eran extremadamente limitados y consistían en un Flexowriter para salida y un lector de cinta de papel a aproximadamente 600 CPS para entrada. En particular, el sistema agregó un convertidor de hardware de binario a decimal/decimal a binario que se implementó en línea con los sistemas de E/S. [2] Esto permitió perforar la cinta de papel con códigos decimales que se convertirían de manera invisible en binarios y se almacenarían en la memoria mientras se leían. Lo contrario también ocurrió, permitiendo a la máquina volver a imprimir el contenido de la memoria directamente en la cinta. El sistema se ajustó para que la máquina pudiera leer o escribir datos esencialmente de forma gratuita; es decir, el sistema podría leer y almacenar datos exactamente tan rápido como la cinta de papel podría alimentarlos.
El sistema también ofrecía una especie de soporte de lenguaje ensamblador . Usando la tecla Mayús, los caracteres ingresados en el sistema representaban mnemónicos en lugar de datos numéricos, que luego se traducirían de manera diferente. Por ejemplo, las letras "AA" agregarían dos números de coma flotante, y los números se almacenarían en las dos direcciones decimales siguientes. Mientras se lee, la columna de desplazamiento de la cinta de papel indicaría al decodificador BDC que ignore los siguientes códigos.
La implementación del hardware finalmente se reveló como una anticaracterística. Si uno suponía que todos los datos que se leían y escribían eran una representación decimal de datos binarios, el sistema tenía perfecto sentido, pero si los datos estaban en alguna otra forma, códigos de caracteres en lenguaje ensamblador más complejos, por ejemplo, terminaba simplemente agregando complejidad que luego hubo que apagarlo. El sistema finalmente se eliminó cuando la programación en ensamblador se volvió común. También limitó seriamente los tipos de dispositivos que podían conectarse, debido al cuidadoso ajuste de la velocidad de la interfaz.
Tan pronto como se completó el prototipo de unidad matemática en 1957, [3] se inició una nueva unidad que operaba con una palabra completa en paralelo. Esta nueva unidad estuvo lista casi al mismo tiempo que la "versión completa" de la máquina (1960-1961) y luego se incorporó al diseño. Esto mejoró las velocidades aproximadamente diez veces, por ejemplo, una suma de punto flotante mejoró de 300 μs a solo 40, una multiplicación de 2200 a 180 μs y una raíz cuadrada de 5300 a 510 microsegundos. La matemática de enteros también mejoró aproximadamente en el mismo factor, aunque la aritmética "compleja" como la multiplicación permaneció en el código en lugar de en el hardware. Con la nueva unidad matemática, la máquina era más rápida que el sistema contemporáneo promedio, aunque más lenta que las máquinas de "gama alta" como la IBM 7090 entre dos y cinco veces.
Como ocurre con cualquier máquina de investigación, el sistema DRTE se utilizó para una serie de cálculos "domésticos", así como para el desarrollo de varios juegos de ordenador sencillos . Estos incluían tres en raya y el ahorcado , así como un generador de música simple que podía reproducir la Marcha del Coronel Bogey conectando un altavoz a una chancla en particular.
A finales de la década de 1950, Estados Unidos estaba en pleno despliegue del sistema SAGE y se interesó en los efectos de la aurora boreal en el funcionamiento del radar . Finalmente se firmó un acuerdo entre la DRB y la Fuerza Aérea de los EE. UU. , en la que la Fuerza Aérea proporcionó dos millones de dólares para construir un centro de investigación de radar inspirado en el Laboratorio Lincoln del MIT , que había proporcionado gran parte del liderazgo técnico de los EE. UU. en sistemas de radar.
La DRB propuso un sitio entre quinientas y seiscientas millas del campo de investigación de cohetes Churchill , que ya se estaba utilizando para una extensa investigación de auroras con su programa de cohetes. Una ubicación así permitiría a los radares medir directamente los efectos de la aurora mediante el seguimiento de los lanzamientos de cohetes. Finalmente, se seleccionó un sitio en las afueras de Prince Albert, Saskatchewan ; Se ha sugerido que esto se debió a que el primer ministro John Diefenbaker estaba en casa. El nuevo sitio se inauguró en junio de 1959 y se conoce como Laboratorio de Radar Prince Albert , o PARL .
Para registrar datos rápidamente durante las pruebas, el DRTE creó un sistema personalizado conocido como DAR , el analizador y registrador digital . DAR era un proyecto de bastante alta prioridad, y parte del personal que originalmente trabajaba en la computadora DRTE se asignó a DAR. La máquina en sí consistía en una computadora no programable que leía los datos en 40.000 bits de memoria central, los etiquetaba con código de tiempo y otra información y luego los escribía en una cinta magnética . El DAR se utilizó durante varios años y tuvo que ser reconstruido después de un incendio en 1962.
En 1958, la DRB envió una propuesta a la NASA para lanzar una "sonda superior", que tomaría medidas de la ionosfera de la Tierra desde el espacio. Este era un tema de cierta importancia en ese momento; La DRB estaba llevando a cabo un importante programa de investigación ionosférica para construir un sistema de comunicaciones de muy larga distancia (que luego se utilizaría en la Línea Mid-Canada y la Línea DEW ). Las diversas agencias estadounidenses que comentaron sobre el sistema se mostraron muy escépticas de que la DRB pudiera construir un dispositivo de este tipo, pero sugirieron que lo hicieran de todos modos como respaldo a su propio diseño mucho más simple. Al final, el diseño estadounidense sufrió largos retrasos y el diseño canadiense "demasiado avanzado" finalmente se lanzó en 1962 como Alouette I.
Mientras se diseñaba Alouette, la computadora DRTE resolvió una cuestión importante sobre la vida útil de las células solares que alimentan el sistema. Desarrollaron un programa que simulaba los efectos de la precesión en la órbita del satélite y utilizaron esta información para calcular el porcentaje de tiempo que la luz del sol incidía sobre él. El resultado demostró que el sistema tendría potencia más que suficiente. Si bien fue diseñado con una vida útil de sólo un año, Alouette I finalmente funcionó durante diez años antes de ser cerrado.
La computadora también se puso en uso generando comandos de seguimiento para la antena parabólica del receptor en Ottawa que descargaba datos de Alouette. La antena no podía rastrear "hacia arriba" y tuvo que girarse 180 grados para rastrear hacia abajo hasta el horizonte opuesto. El movimiento estaba controlado por un sistema sencillo que leía una cinta de papel. La computadora produjo cintas para que el plato girara lentamente mientras rastreaba el satélite, garantizando así que no hubiera "tiempo muerto". Finalmente se creó una biblioteca de cintas para cualquier posible pase.