De computer die in de lanceerraket (Launch Vehicle Digital Computer, LVDC) werkte, speelde een cruciale rol in het Apollo-programma door de Saturn 5-raket aan te sturen. Net als de meeste computers uit die tijd, bewaarde hij gegevens in kleine magnetische kernen. In dit artikel vertelt Cloud4Y over de LVDC-geheugenmodule uit de luxe van Steve Jurvetson.
Deze geheugencapaciteit werd verbeterd in het midden van de jaren '60. Voor de vervaardiging werden componenten voor oppervlaktemontage, hybride modules en flexibele verbindingen gebruikt, wat het een stuk compacter en lichter maakte dan de conventionele computergeheugen uit die tijd. Desondanks kon de geheugencapaciteit slechts 4096 woorden van 26 bit opslaan.
De geheugencapaciteit op magnetische kernen. Deze module slaat 4K woorden van 26 bit gegevens en 2 bit pariteit op. Met vier geheugencapaciteiten, die een totale capaciteit van 16.384 woorden bieden, weegt hij 2,3 kg en heeft hij afmetingen van 14 cm × 14 cm × 16 cm.
De vlucht naar de maan begon op 25 mei 1961, toen president Kennedy aankondigde dat Amerika een mens voor het einde van het decennium op de maan zou laten landen. Hiervoor werd de drie-traps Saturn 5-raket gebruikt, de krachtigste raket die ooit is gemaakt. De Saturn 5 werd bestuurd en gecontroleerd door een computer (hier over) van de derde trap van de lanceerraket, vanaf de lancering in de aardbaan en vervolgens tijdens de reis naar de maan. (Het Apollo-schip kwam op dat moment los van de Saturn 5-raket, en de opdracht van de LVDC was volbracht).
De LVDC is bevestigd in het steunframe. De ronde connectors zijn zichtbaar aan de voorkant van de computer. Er werden 8 elektrische connectors en twee connectors voor vloeistofkoeling gebruikt.
De LVDC was slechts een van de verschillende computers aan boord van de Apollo. De LVDC was aangesloten op het vluchtdetectiesysteem, een 45-kilogram analoge computer. De boordnavigatiecomputer van de Apollo (Apollo Guidance Computer, AGC) leidde het ruimtevaartuig naar het maanoppervlak. De command module bevatte één AGC, terwijl de maanmodule een tweede AGC bevatte, samen met het Abort-navigatiesysteem en een reserve noodcomputer.
Aan boord van de Apollo bevonden zich verschillende computers.
Unit Logic-apparaten (ULD)
LVDC werd ontwikkeld met behulp van een interessante hybride technologie genaamd ULD, unit load device. Hoewel ze qua uiterlijk leken op geïntegreerde schakelingen, bevatten de ULD-modules verschillende componenten. Ze maakten gebruik van eenvoudige siliciumkristallen, elk met slechts één transistor of twee diodes. Deze matrices, samen met gedrukte thick-film weerstanden, waren bevestigd op een keramisch plaat voor de implementatie van schema's zoals logisch schakelen. Deze modules waren een variant van de SLT-modules (), ontwikkeld voor de populaire IBM S/360 serie computers. IBM begon in 1961 met de ontwikkeling van de SLT-modules, voordat geïntegreerde schakelingen commercieel levensvatbaar werden, en tegen 1966 produceerde IBM meer dan 100 miljoen SLT-modules per jaar.
De ULD-modules waren aanzienlijk kleiner dan de SLT-modules, zoals te zien is op de foto hieronder, wat ze geschikter maakte voor een compacte ruimtecomputer. De ULD-modules gebruikten keramische dekplaten in plaats van metalen pinnen in SLT en hadden metalen contacten op het bovenoppervlak in plaats van pinnen. Klemmen op de printplaat hielden de ULD-module op zijn plaats en maakten verbinding met deze contacten.
Waarom gebruikte IBM SLT-modules in plaats van geïntegreerde schakelingen? De belangrijkste reden was dat geïntegreerde schakelingen nog in een vroeg stadium verkeerden; ze werden in 1959 uitgevonden. In 1963 hadden SLT-modules voordelen in kosten en prestaties ten opzichte van geïntegreerde schakingen. Desondanks werden SLT-modules vaak als achterhaald beschouwd vergeleken met geïntegreerde schakelingen. Een van de voordelen van SLT-modules ten opzichte van geïntegreerde schakelingen was dat de weerstanden in SLT veel nauwkeuriger waren dan die in geïntegreerde schakelingen. Tijdens de productie werden de thick-film weerstanden in SLT-modules zorgvuldig gestrald om de resistieve laag te verwijderen totdat de gewenste weerstand werd bereikt. SLT-modules waren ook goedkoper dan vergelijkbare geïntegreerde schakelingen in de jaren '60.
LVDC en de bijbehorende apparatuur gebruikten meer dan 50 verschillende types ULD.
SLT-modules (links) zijn aanzienlijk groter dan ULD-modules (rechts). De afmetingen van ULD zijn 7,6 mm × 8 mm.
De interne componenten van de ULD-module zijn hieronder op de foto te zien. Aan de linkerkant zijn op de keramische plaat geleiders te zien die zijn verbonden met vier piepkleine vierkante siliciumkristallen. Het lijkt op een printplaat, maar houd er rekening mee dat het veel kleiner is dan een nagel. De zwarte rechthoeken aan de rechterkant zijn dikkefilmweerstanden die op de onderkant van de plaat zijn gedrukt.
ULD, van boven en van onder. Siliciumkristallen en weerstanden zijn zichtbaar. Terwijl de SLT-modules weerstanden op het bovenste oppervlak hadden, hadden de ULD-modules weerstanden aan de onderkant, wat de dichtheid en ook de kosten verhoogde.
Op de foto hieronder is een siliciumkristal van de ULD-module zichtbaar, dat twee diodes bevatte. De afmetingen zijn uitzonderlijk klein, ter vergelijking liggen er suikerstaafjes naast. Het kristal had drie externe verbindingen via koperen bollen die aan drie cirkels waren gesoldeerd. De twee onderste cirkels (anoden van de twee diodes) waren gelegeerd (de donkerdere gebieden), terwijl de rechterboven cirkel de kathode was, verbonden met de basis.
Een foto van een twee-diode siliciumkristal naast suikerstaafjes.
Hoe geheugens op ferrietkernen werken.
Ferrietkerngeheugen was de primaire vorm van gegevensopslag op computers vanaf de jaren 50, tot het in de jaren 70 werd vervangen door halfgeleider-geheugenapparaten. Het geheugen was opgebouwd uit kleine ferrietringen, genaamd kernen. De ferrietringen werden in een rechthoekig raster geplaatst en door elke ring liepen twee tot vier draden voor het lezen en schrijven van informatie. De ringen maakten het mogelijk om één bit informatie op te slaan. Een kern werd gemagnetiseerd met een stroomimpuls via de draden die door de ferrietring gingen. De richting van de magnetisatie van één kern kon worden gewijzigd door een impuls in de tegenovergestelde richting te sturen.
Om de waarde van de kern af te lezen, werd de stroom impuls in de staat 0 gezet. Als de kern eerder in staat 1 was, creëerde het veranderende magnetische veld spanning in een van de draden die door de kernen liepen. Maar als de kern al in staat 0 was, zou het magnetische veld onveranderd blijven en zou de spanning in de aflezingdraad niet stijgen. Zo werd de waarde van de bit in de kern afgelezen door deze naar nul te resetten en de spanning op de aflezingdraad te controleren. Een belangrijk kenmerk van het geheugen op magnetische kernen was dat het leesproces de waarde ervan vernietigde, zodat de kern moest worden 'geschreven'.
Het gebruik van een aparte draad voor het wijzigen van de magnetisatie van elke kern was onhandig, maar in de jaren 50 werd er ferrietgeheugen ontwikkeld dat werkte op basis van stroomovereenkomsten. Het schema met vier draden - X, Y, lezen, verbieden - werd algemeen aanvaard. De technologie maakte gebruik van een bijzondere eigenschap van de kernen, genaamd hysterese: een kleine stroom beïnvloedt het ferrietgeheugen niet, maar een stroom boven de drempelwaarde zou de kern magnetiseren. Bij het aanbrengen van voeding met de helft van de benodigde stroom op een X-lijn en een Y-lijn, kreeg alleen de kern waarbij beide lijnen elkaar kruisen, voldoende stroom om gemagnetiseerd te worden, terwijl andere kernen onaangetast bleven.
Dit is hoe het geheugen van de IBM 360 Model 50 eruitzag. LVDC en model 50 gebruikten kernen van hetzelfde type, bekend als 19-32, omdat hun interne diameter 19 mil (0,4826 mm) was en hun externe diameter 32 mil (0,8 mm). Op deze foto is te zien dat er drie draden door elke kern lopen, maar LVDC gebruikte vier draden.
De foto hieronder toont een rechthoekige matrix van LVDC-geheugen. Deze matrix heeft 128 X-draden die verticaal lopen en 64 Y-draden die horizontaal lopen, met een kern op elk kruispunt. De enkele draad voor lezen loopt parallel door alle draden langs de Y-draden. De schrijfdraad en de verbodsdraad lopen parallel door alle draden langs de X-draden. De draden kruisen elkaar in het midden van de matrix; dit vermindert de geïnduceerde ruis, omdat de ruis van de ene helft de ruis van de andere helft neutraliseert.
Een LVDC ferrietgeheugenmatrix die 8192 bits bevat. De verbinding met andere matrices wordt tot stand gebracht via pennen aan de buitenkant.
De bovenstaande matrix had 8192 elementen, waarvan elk één bit opsloeg. Om een geheugenwoord op te slaan, werden meerdere basismatrices opgestapeld, één voor elk bit in het woord. De X- en Y-draden kronkelden door alle basismatrices. Elke matrix had een aparte leeslijn en een aparte verbodlijn voor het schrijven. Het LVDC-geheugen gebruikte een stapel van 14 basismatrices (hieronder) die een 13-bits 'syllabe' samen met een pariteitsbit opsloegen.
De LVDC-stapel bestaat uit 14 basismatrices.
Het schrijven in het geheugen op magnetische zenuwen vereiste extra draden, de zogenaamde verbodslijnen. Elke matrix had één verbodslijn die door alle zenuwen daarin liep. Tijdens het schrijfproces doorstroomt een stroom de lijnen X en Y, waarbij de geselecteerde ringen (één per vlak) worden gemagnetiseerd naar toestand 1, waarbij alle 1’s in het woord worden vastgehouden. Om een 0 in de bitpositie te schrijven, werd de lijn van een halve stroom gevoed, tegenovergesteld aan lijn X. Als gevolg hiervan bleven de zenuwen op waarde 0. Zo voorkwam de verbodslijn dat de zenuw omdraaide naar 1. Elk gewenst woord kon in het geheugen worden geschreven door de bijbehorende verbodslijnen te activeren.
LVDC geheugenchip.
Hoe is de LVDC-geheugenchip fysiek geconstrueerd? In het midden van de geheugenchip bevindt zich een stapel van 14 ferromagnetische geheugentypen die eerder zijn getoond. Deze wordt omgeven door verschillende printplaten met schakelingen voor het beheren van de X- en Y-draden, verbodslijnen, bits leestroepen, foutdetectie en het genereren van de nodige klokpulsen.
Over het algemeen bevinden de meeste schakelingen die met geheugen te maken hebben zich in de LVDC-computerlogica, en niet in de geheugenchip zelf. In het bijzonder bevat de computerlogica registers voor het opslaan van adressen en datawoorden en voor de omzetting tussen serieel en parallel. Het bevat ook een leerschakeling van de bits leeslijnen, foutcontrole en klokregeling.
Geheugenchip met aanduiding van sleutelcomponenten. MIB (Multilayer Interconnection Board) is een 12-laags printplaat.
Geheugenstuurplaat Y.
Het woord in het geheugen op magnetische kernen wordt geselecteerd door de overeenkomstige X- en Y-lijnen door de hoofdstack van platen te laten lopen. Laten we beginnen met de beschrijving van het Y-driver schema en hoe het een signaal genereert via een van de 64 Y-lijnen. In plaats van 64 afzonderlijke drivercircuits vermindert de module het aantal circuits door 8 'hoge' drivers en 8 'lage' drivers te gebruiken. Deze zijn aangesloten in een 'matrix' configuratie, waardoor elke combinatie van hoge en lage drivers verschillende lijnen selecteert. Zo kiezen 8 'hoge' en 8 'lage' drivers één van de 64 (8 × 8) Y-lijnen.
De Y-driverplaat (voorzijde) beheert de selectie lijnen Y in de platenstack.
Op de foto hieronder zijn enkele van de ULD-modules (wit) en paar transistors (goudkleurig) te zien die de lijnen voor selectie Y aansturen. De 'EI'-module is het hart van de driver: het geeft een impuls van constante spanning (E) of laat een constante stroomimpuls (I) door de selectie lijn. De selectie lijn wordt beheerd door de activatie van de EI-module in spanningsmodus aan één kant van de lijn en de EI-module in stroommodus aan de andere kant. Het resultaat is een impuls met de juiste spanning en stroom, voldoende om de kern te hermagnetiseren. Een grote impuls is vereist om het om te draaien; de spanningsimpuls is gefixeerd op 17 volt, terwijl de stroom varieert van 180 mA tot 260 mA, afhankelijk van de temperatuur.
Close-up van de Y-driverplaat, die zes ULD-modules en zes paren transistors toont. Elke ULD-module is gemarkeerd met het IBM-onderdeelnummer, het type module (bijv. 'EI') en een code waarvan de waarde niet is vastgesteld.
De plaat is ook voorzien van foutvolgmodules (ED) die detecteren wanneer meer dan één Y-selectielijn tegelijkertijd is geactiveerd. De ED-module gebruikt een eenvoudige semi-analoog oplossing: het sommeert de invoervoltage met behulp van een netwerk van weerstanden. Als de resulterende spanning boven de drempel ligt, wordt de sleutel geactiveerd.
Onder de driverplaat bevindt zich een diode-matrix met 256 diodes en 64 weerstanden. Deze matrix zet 8 bovenste en 8 onderste paren signalen van de driverplaten om in verbindingen met 64 Y-lijnen die door de belangrijkste stapel platen lopen. Flexibele kabels aan de boven- en onderkant van de plaat verbinden de plaat met de diode-matrix. Twee flexibele kabels aan de linkerkant (niet zichtbaar op de foto) en twee bussen aan de rechterkant (waarvan er één zichtbaar is) verbinden de diode-matrix met het array van kernen. De flexibele kabel die links zichtbaar is, verbindt de Y-plaat met de rest van de computer via de invoeruitvoerapparaat, en een kleine flexibele kabel in de rechterbenedenhoek verbindt met de klokgeneratorplaat.
Geheugen driverplaat X
Het schema voor het aansturen van de X-lijnen is vergelijkbaar met dat van Y, behalve dat er 128 X-lijnen en 64 Y-lijnen zijn. Aangezien er twee keer zoveel X-draad is, heeft de module een tweede X-driversplaat eronder. Hoewel de X- en Y-platen dezelfde componenten hebben, is de bedrading anders.
Deze plaat en de vergelijkbare eronder sturen de geselecteerde X-rijen aan in de stapel platen met kernen.
Op de onderstaande foto is te zien dat enkele componenten op de plaat beschadigd zijn. Een van de transistors is verschoven, de ULD-module is doormidden gebroken en een andere is afgebroken. De bedrading is zichtbaar bij de gebroken module, waar ook een van de minieme siliciumkristallen (rechts) te zien is. Op deze foto zijn ook de sporen van verticale en horizontale geleidende banen op de 12-laagse printplaat te zien.
Close-up van het beschadigde gedeelte van de plaat.
Onder de X-drivers platen bevindt zich een X-diode-matrix met 288 diodes en 128 weerstanden. De X-diode-matrix gebruikt een topologie die verschilt van die van de Y-diodeplaat om het aantal componenten niet te verdubbelen. Net als de Y-diodeplaat bevat deze plaat componenten die verticaal zijn geïnstalleerd tussen twee printplaten. Deze methode wordt 'cordwood' genoemd en maakt het mogelijk om componenten compact te verpakken.
Een macrofoto van de X-diode-matrix toont verticaal gemonteerde diodes met de cordwood-methode tussen 2 printplaten. Twee X-drivers platen bevinden zich boven de diodeplaat, gescheiden door polyurethaanschuim. Let op dat de printplaten zeer dicht bij elkaar zijn geplaatst.
Geheugenversterkers
De foto hieronder toont de leesversterkerkaart. Dit heeft 7 kanalen om 7 bits uit de geheugenstack te lezen; de identieke kaart hieronder verwerkt nog eens 7 bits, in totaal 14 bits. De taak van de leesversterker is om een zwak signaal (20 millivolt), gegenereerd door de magnetiseerbare kern, te detecteren en om te zetten in een 1-bits uitgang. Elk kanaal bestaat uit een differentieel versterker en een buffer, gevolgd door een differentiële transformator en een uitgangsfixator. Aan de linkerkant is een 28-aderige flexibele kabel aangesloten op de geheugenstack, die de twee uiteinden van elke leeskabel naar het versterkerschema leidt, beginnend met de MSA-1-module (leesversterker voor geheugen). De afzonderlijke componenten zijn weerstanden (bruine cilinders), condensatoren (rode), transformatoren (zwarte) en transistors (gouden). De databitjes komen via de flexibele kabel rechts uit de versterkerkaarten.
De leesversterkerkaart bevindt zich aan de bovenkant van de geheugensmodule. Deze kaart versterkt signalen van de sensordraden om outputbits te creëren.
Schrijfverbods lijn driver
De schrijfverboden drivers worden gebruikt om naar het geheugen te schrijven en bevinden zich aan de onderzijde van de hoofdmodule. Er zijn 14 verbods lijnen, één voor elke matrix in de stack. Om een 0 bit te schrijven, wordt de overeenkomstige blokkerings-driver geactiveerd en voorkomt de stroom door de verbods lijn dat de kern op 1 schakelt. Elke lijn wordt aangedreven door de ID-1 en ID-2 module (schrijfverbods lijn driver) en een paar transistors. Hoge-precisie weerstanden van 20,8 Ohm aan de boven- en onderkant van de kaart reguleren de blokkeerstroom. Een 14-aderige flexibele kabel rechts verbindt de drivers met de 14 verbods draden in de stapel kaarten met kernen.
De verbodskaart bevindt zich aan de onderzijde van de geheugensmodule. Deze kaart genereert 14 verbodssignalen die tijdens het schrijven worden gebruikt.
Geheugen van de klokdriver
De klokdriver is een paar kaarten die synchronisatiesignalen genereren voor de geheugensmodule. Zodra de computer een bewerking met het geheugen start, worden verschillende synchronisatiesignalen, gebruikt door de geheugensmodule, asynchroon gegenereerd door de klokdriver van de module. De klokdriver kaarten bevinden zich aan de onderkant van de module, tussen de stack en de verbodskaart, waardoor de kaarten slecht zichtbaar zijn.
De klokken-driverplaten bevindt zich onder de hoofd geheugenset, maar boven de blokkeringsplaat.
De blauwe componenten op de bovenste foto zijn multi-turn potentometers, vermoedelijk voor het aanpassen van tijd of spanning. Weerstanden en condensatoren zijn ook zichtbaar op de platen. Het schema toont verschillende MCD-modules (Memory Clock Driver), maar er zijn geen modules op de platen zichtbaar. Het is moeilijk te zeggen of dit komt door beperkte zichtbaarheid, wijziging van het schema of de aanwezigheid van een andere plaat met deze modules.
Geheugeninvoer-uitvoerpaneel.
De laatste plaat van de geheugenmodule is het invoer-uitvoerpaneel, dat signalen distribueert tussen de geheugenplaten en de rest van de computer LVDC. De groene 98-pins connector onderaan maakt verbinding met het LVDC-gehechtheid waarmee signalen en voeding vanuit de computer worden geleverd. Het grootste deel van de plastic connectoren is gebroken, waardoor de contacten zichtbaar zijn. De distributiebord is met deze connector verbonden via twee 49-pins flexibele kabels onderaan (de voorkabel is zichtbaar). Andere flexibele kabels verdelen de signalen naar de X-driverplaat (links), de Y-driverplaat (rechts), de leesversterkerplaat (boven) en de verbodplaat (onder). 20 condensatoren op de plaat filteren de voeding die naar de geheugenmodule wordt geleverd.
Invoer-uitvoerplaat tussen de geheugenmodule en de rest van de computer. De groene connector onderaan maakt verbinding met de computer en deze signalen worden via platte kabels naar andere delen van de geheugenmodule geleid.
Uitslag
De hoofd LVDC-geheugenmodule zorgde voor een compacte, betrouwbare opslag. In de onderste helft van de computer konden tot 8 geheugenmodules worden geplaatst. Dit stelde de computer in staat om 32 26-bits woorden of 16 kiloword in redundante high-reliable 'duplex' modus.
Een interessant kenmerk van LVDC was dat de geheugenmodules gespiegeld konden worden voor betrouwbaarheid. In de 'duplex' modus werd elk woord in twee geheugenmodules opgeslagen. Als er een fout in een module optrad, kon het juiste woord uit de andere module worden gehaald. Hoewel dit betrouwbaarheid bood, halveerde het het geheugenvolume. Als alternatief kunnen de geheugenmodules in 'simplex' modus worden gebruikt, waarbij elk woord één keer wordt opgeslagen.
LVDC konnt tot acht centrale processormodules bevatten
Een geheugenchip met magnetische kernen geeft een duidelijk beeld van de tijd waarin een 5-pond (2,3 kg) module nodig was voor het opslaan van 8 KB. Deze geheugenmodules waren echter behoorlijk geavanceerd voor hun tijd. Dergelijke apparaten zijn in de jaren '70 van de vorige eeuw verlaten door de opkomst van halfgeleider DRAM.
De inhoud van het RAM blijft behouden wanneer de stroom is uitgeschakeld, dus het is heel goed mogelijk dat de module nog steeds software opslaat van het laatste gebruik van de computer. Ja, het is mogelijk om iets interessants te vinden, zelfs na tientallen jaren. Het zou interessant zijn om te proberen deze gegevens te herstellen, maar de beschadigde schakelingen vormen een probleem, waardoor het waarschijnlijk niet mogelijk is om de inhoud van de geheugenchip nog tientallen jaren te extraheren.
What else useful can you read in the blog
→
→
→
→
→
Subscribe to our -kanaal, om het volgende artikel niet te missen! We schrijven niet vaker dan twee keer per week en alleen wat echt nodig is. We herinneren ook eraan dat Cloud4Y veilige en betrouwbare toegang op afstand kan bieden tot zakelijke applicaties en informatie die nodig zijn voor bedrijfscontinuïteit. Thuiswerken is een extra barrière tegen de verspreiding van het coronavirus. Voor meer details kunt u terecht bij onze managers.
Bron: habr.com
