La computadora DRTE era una computadora transistorizada construida en el Defence Research Telecommunications Establishment (DRTE), parte de la Junta de Investigación de Defensa de Canadá . Fue una de las primeras máquinas totalmente transistorizadas, funcionando en forma de prototipo en 1957 y en forma completamente desarrollada en 1960. [1] Aunque el rendimiento era bastante bueno, igual al de las máquinas contemporáneas como la PDP-1 , ningún vendedor comercial aceptó el diseño, y la única venta potencial a los Laboratorios Navales del Pacífico de la Armada canadiense fracasó. La máquina actualmente forma parte de la colección nacional canadiense de ciencia y tecnología albergada en el Museo de Ciencia y Tecnología de Canadá .
A principios de los años 50, los transistores aún no habían sustituido a las válvulas de vacío en la mayoría de los aparatos electrónicos. Las válvulas variaban mucho en sus características reales de una válvula a otra, incluso si eran del mismo modelo. Los ingenieros habían desarrollado técnicas para garantizar que el circuito general no fuera demasiado sensible a estos cambios, de modo que pudieran reemplazarse sin causar problemas. Las mismas técnicas aún no se habían desarrollado para los sistemas basados en transistores, simplemente eran demasiado nuevos. Si bien los circuitos más pequeños se podían "ajustar manualmente" para que funcionaran, los sistemas más grandes que utilizaban muchos transistores no se entendían bien. Al mismo tiempo, los transistores seguían siendo caros: una válvula costaba alrededor de 0,75 dólares, mientras que un transistor similar costaba alrededor de 8 dólares. Esto limitaba 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, comenzó 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 divulgación, el Comité de Investigación y Desarrollo de Componentes Electrónicos pudo transmitir sus conocimientos a los ingenieros visitantes de las principales empresas de electrónica canadienses que estaban ingresando al campo de los transistores.
El desarrollo clave que llevó a la construcción final de la computadora fue la invención de Moody de un nuevo tipo de circuito flip-flop , un componente clave de todos los sistemas informáticos. El diseño de Moody utilizó una unión PNPN , que consiste en un transistor PNP y NPN conectados espalda con espalda. La mayoría de las máquinas de la época usaban flip-flops Eccles-Jordan; este era originalmente un concepto basado en válvulas que se estaba utilizando reemplazando las válvulas por transistores. El circuito PNPN ofrecía una salida de potencia mucho mayor, lo que le permitía controlar una mayor cantidad de circuitos "de bajada" sin amplificadores adicionales. El efecto general fue reducir, a veces en gran medida, la cantidad total de transistores necesarios para implementar un circuito digital. Moody publicó su circuito en 1956.
Una desventaja, de la que me di cuenta más tarde, es que el consumo de corriente del flip-flop de Moody no estaba equilibrado, por lo que almacenar diferentes números en ellos podría dar lugar a necesidades de corriente radicalmente diferentes en la fuente de alimentación. En general, este tipo de carga cambiante es algo que se debe evitar siempre que sea posible para reducir el ruido generado cuando el consumo de energía aumenta o disminuye. A niveles de energía muy bajos, como en una computadora, estos pulsos de ruido pueden ser tan potentes como las señales mismas.
Aunque parece que nunca fue una recomendación oficial, a mediados de los años 50 el DRTE decidió que la mejor manera de desarrollar realmente las técnicas de transistores en un sistema complejo era construir un ordenador. Esto no era algo que necesitaran para su propio uso en ese momento, era simplemente un ejemplo de un sistema extremadamente complejo que pondría a prueba sus capacidades como pocos otros sistemas podían hacerlo. Pero a medida que avanzaba el desarrollo, muchos de los ingenieros involucrados se interesaron más en el diseño de ordenadores que en la electrónica. Esto estaba fuera del estatuto del DRTE y, finalmente, fue una fuente de fricción entre el grupo y el DRB que los financió.
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 la computadora se debía en gran medida a la tasa de desgaste de las válvulas; un diseño más potente requería más válvulas, lo que significaba desgastes 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 funcionamiento. Con los transistores, esta limitación se eliminó; se podían construir máquinas más complejas con poco efecto en la confiabilidad, siempre que uno estuviera dispuesto a pagar el precio de más transistores. Con el precio de los transistores cayendo todo el tiempo, el diseño de Florida incluyó todas las características que imaginó que serían útiles en una máquina científica.
En particular, el diseño incluyó finalmente una serie de subsistemas para entrada/salida , un convertidor binario/decimal de hardware, [2] hardware de punto flotante que incluía una función de raíz cuadrada, una serie de instrucciones de bucle y registros de índice para respaldarlas, 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 de nuevo en la memoria principal. Esto era deseable en ese momento, cuando las memorias de las computadoras eran generalmente comparables en velocidad a los procesadores (hoy en día la memoria es mucho más lenta que los procesadores).
Florida había trabajado previamente 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 dividía en cuatro partes de 10 bits, la instrucción y tres direcciones de 10 bits. Esto permitía 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 punto 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, facilitaría la programación que un sistema basado en registros.
Una versión experimental de la máquina consistía en la unidad matemática básica y el manejo de la memoria. La construcción del sistema completo comenzó en 1958 y se completó en 1960. La máquina funcionaba a una velocidad de 5 microsegundos por ciclo, o 200 kHz, bastante competitiva para una máquina de la época. Una suma de punto flotante tardaba entre 50 y 365 microsegundos (μS). Las instrucciones más largas, división o raíz cuadrada, tardaban 5,3 milisegundos (ms) para el punto flotante. Las sumas de números enteros tardaban unos 200 μS, pero otras operaciones se gestionaban en subrutinas en lugar de hardware y tardaban mucho más; una división de números enteros/raíz cuadrada requería 8,2 ms, por ejemplo.
La computadora utilizaba memoria central para todo el almacenamiento, sin sistemas "secundarios" como un tambor de memoria . Normalmente, la memoria de una máquina se construiría apilando una serie de conjuntos de núcleos, o "planos", cada uno de los cuales albergaría 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, esto necesitaba 32 × 32 planos.
Un problema con el uso del núcleo en la máquina DRTE era que éste requería una potencia bastante alta para funcionar. Proporcionar dicha potencia a partir de transistores, que en ese momento sólo eran de bajo consumo, representaba un gran desafío. Aunque una solución, que se usaba comúnmente en ese momento, era construir la maquinaria del núcleo a partir de 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 basaba completamente en transistores y luego fue patentada.
Otra mejora introducida en el diseño del núcleo se refería al manejo del cable de lectura. La lectura de una ubicación en el núcleo funciona alimentando 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 alimentación 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. Por lo tanto, para leer datos, escribes "1" en esa ubicación; si se ve un pulso en la línea de lectura, la ubicación originalmente tenía un "0" y si no hay pulso significa que tenía un "1".
Un problema con este sistema es que otros núcleos en las mismas líneas (X o Y) también emitirán una señal muy pequeña, lo que podría enmascarar la señal que se busca. La solución convencional era cablear la línea de lectura en diagonal de ida y vuelta a través del plano, de modo que estas señales más pequeñas se cancelaran: la señal positiva de una sería una señal negativa de la siguiente a medida que el cable pasara a través de ella en la dirección opuesta. Sin embargo, esta solución también hizo que el cableado del núcleo fuera bastante difícil, y se invirtieron cantidades considerables de investigación en diversas formas de mejorar el costo del cableado del núcleo.
El diseño de Cobbald introdujo lo que, en retrospectiva, parece un cambio obvio: el cable de lectura se pasó por los planos en lugar de uno por plano. En este sistema, el cable de lectura realmente pasaba por un solo conjunto de líneas de alimentación y se evitaron por completo los problemas de la "señal adicional". No es del todo sorprendente que esta solución no se haya considerado antes; los núcleos se construyeron plano por plano y luego se conectaron entre sí, mientras que este método requería que se construyera todo el núcleo antes de poder añadir los cables de lectura. La única desventaja importante del diseño es que requería más energía para funcionar.
Los dispositivos de E/S del diseño DRTE eran extremadamente limitados, consistían en una Flexowriter para la salida y un lector de cinta de papel a unos 600 CPS para la entrada. En particular, el sistema agregó un conversor de binario a decimal/decimal a binario de hardware que se implementó en línea con los sistemas de E/S. [2] Esto permitió que la cinta de papel se perforara en códigos decimales que se convertirían de manera invisible en binario y se almacenarían en la memoria mientras se leían. Lo inverso también era cierto, lo que permitía que la máquina imprimiera el contenido de la memoria directamente en la cinta nuevamente. El sistema estaba ajustado para que la máquina pudiera leer o escribir datos esencialmente de forma gratuita; es decir, el sistema podía leer y almacenar datos exactamente tan rápido como la cinta de papel podía alimentarlos.
El sistema también ofrecía una especie de soporte rudimentario para el lenguaje ensamblador . Al utilizar la tecla Shift, los caracteres introducidos en el sistema representaban mnemotecnias en lugar de datos numéricos, que luego se traducirían de forma diferente. Por ejemplo, las letras "AA" sumaban dos números de punto flotante, que se almacenaban en las dos direcciones decimales siguientes. Mientras se leía, la columna Shift de la cinta de papel indicaba al decodificador BDC que ignorara los códigos siguientes.
La implementación del hardware finalmente se reveló como una característica negativa. Si uno asumía que todos los datos que se leían y escribían eran una representación decimal de datos binarios, el sistema tenía todo el sentido, pero si los datos estaban en otra forma, por ejemplo, códigos de caracteres en lenguaje ensamblador más complejos, terminaba simplemente añadiendo complejidad que luego había que desactivar. El sistema finalmente se eliminó cuando la programación en ensamblador se volvió común. También limitó seriamente los tipos de dispositivos que se podían conectar, debido al ajuste cuidadoso de la velocidad de la interfaz.
Tan pronto como se completó la unidad matemática prototipo en 1957, [3] se inició una nueva unidad que operaba en una palabra completa en paralelo. Esta nueva unidad estuvo lista aproximadamente al mismo tiempo que la "versión completa" de la máquina (1960-61) y más tarde se adaptó al diseño. Esto mejoró las velocidades unas diez veces; por ejemplo, una suma de punto flotante mejoró de 300 μs a solo 40, la multiplicación de 2200 a 180 μs y una raíz cuadrada de 5300 a 510 microsegundos. La matemática de números enteros también mejoró en aproximadamente el mismo factor, aunque la aritmética "compleja" como la multiplicación permaneció en código en lugar de hardware. Con la nueva unidad matemática, la máquina era más rápida que el sistema contemporáneo promedio, aunque más lenta que las máquinas de "alta gama" como la IBM 7090 en aproximadamente dos a cinco veces.
Como cualquier máquina de investigación, el sistema DRTE se utilizó para una serie de cálculos "domésticos", así como para el desarrollo de una serie de juegos de ordenador sencillos , entre ellos el tres en raya y el ahorcado , así como un sencillo generador de música que podía reproducir la Marcha del Coronel Bogey conectando un altavoz a una determinada chancla.
A finales de los años 50, Estados Unidos estaba en pleno proceso de implantación del sistema SAGE y se interesó por los efectos de las auroras boreales en el funcionamiento del radar . Finalmente, se firmó un acuerdo entre la DRB y la Fuerza Aérea de Estados Unidos , por el que esta última proporcionó dos millones de dólares para construir un centro de investigación de radares inspirado en el Laboratorio Lincoln del MIT , que había proporcionado gran parte del liderazgo técnico de Estados Unidos en sistemas de radar.
La DRB propuso un sitio entre ochocientos y mil kilómetros del Churchill Rocket Research Range , que ya se estaba utilizando para una amplia investigación de las auroras con su programa de cohetes. Una ubicación así permitiría a los radares medir directamente los efectos de las auroras en el radar mediante el seguimiento de los lanzamientos de cohetes. Finalmente, se eligió un sitio fuera de Prince Albert, Saskatchewan ; se ha sugerido que esto se debió a que era el lugar de residencia del Primer Ministro John Diefenbaker . El nuevo sitio se inauguró en junio de 1959 y se lo conoció como Prince Albert Radar Laboratory o PARL .
Para registrar rápidamente los datos durante las pruebas, el DRTE construyó un sistema personalizado conocido como DAR ( Digital Analyzer and Recorder) . DAR era un proyecto de alta prioridad y parte de la mano de obra que originalmente trabajaba en la computadora del DRTE se puso a trabajar en 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 cinta magnética . 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 de superficie", que tomaría mediciones 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 con el nombre de Alouette I.
Mientras se diseñaba el Alouette, el ordenador del DRTE resolvió una cuestión importante sobre la vida útil de las células solares que alimentaban 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 solar incidía sobre él. El resultado demostró que el sistema tendría energía más que suficiente. Aunque se diseñó con una vida útil de solo un año, el Alouette I funcionó durante diez años antes de apagarse.
El ordenador también se puso en funcionamiento para generar comandos de seguimiento para la antena parabólica del receptor en Ottawa que descargaba datos de Alouette. La antena no podía seguir el satélite "en línea recta" y tenía que girarse 180 grados para volver a seguirlo hasta el horizonte opuesto. El movimiento se controlaba mediante un sistema sencillo que leía una cinta de papel. El ordenador producía cintas de modo que la antena girara lentamente mientras seguía el satélite, garantizando así que no hubiera "tiempo muerto". Con el tiempo, se creó una biblioteca de cintas para cualquier posible paso.