Комп'ютер, що працював у ракеті-носія (Launch Vehicle Digital Computer, LVDC), відіграв ключову роль у місячній програмі «Аполлон», керуючи ракетою Сатурн 5. Як і більшість комп'ютерів того часу, він зберігав дані в крихітних магнітних сердечниках. У цій статті Cloud4Y розповідає про модуль пам'яті LVDC із розкішної Стіва Джурветсон.
Цей модуль пам'яті було вдосконалено у середині 1960-х років. Для його створення використовували компоненти для поверхневого монтажу, гібридні модулі та гнучкі з'єднання, що зробило його на порядок менше та легше, ніж звичайна пам'ять ЕОМ того часу. Втім, модуль пам'яті дозволяв зберігати лише 4096 слів по 26 біт.
Модуль пам'яті на магнітних сердечниках. Цей модуль зберігає 4K слів з 26 біт даних та 2 біт парності. З чотирма модулями пам'яті, що дають загальну ємність 16 слова, він важить 384 кг і має розміри 2,3 см × 14 см × 14 см.
Політ на Місяць розпочався 25 травня 1961 року, коли президент Кеннеді заявив, що Америка висадить людину на Місяць до кінця десятиліття. Для цього використовувалася триступенева ракета Сатурн 5, найпотужніша ракета з будь-коли створених. Сатурн 5 керувався та контролювався комп'ютером (ось про нього) третього ступеня ракети-носія, починаючи від зльоту на орбіту Землі, а потім під час руху до Місяця. (Корабль "Аполлон" у цей момент відокремлювався від ракети "Сатурн-5", і завдання LVDC було виконано).
LVDC встановлений у опорній рамі. Круглі роз'єми видно на лицьовій стороні комп'ютера. Використовувалося 8 електричних роз'ємів та два роз'єми для рідинного охолодження
LVDC був лише одним із кількох комп'ютерів на борту «Аполлона». LVDC підключався до системи контролю за польотом, 45-кілограмового аналогового комп'ютера. Бортовий навігаційний комп'ютер "Аполлона" (Apollo Guidance Computer, AGC) спрямовував космічний корабель до поверхні Місяця. Командний модуль містив один AGC, тоді як місячний модуль містив другий AGC разом із системою навігації Abort, запасним аварійним комп'ютером.
На борту Аполлона було кілька комп'ютерів
Пристрої Unit Logic (ULD)
LVDC створювали за допомогою цікавої гібридної технології за назвою ULD, unit load device. Хоча зовні вони нагадували інтегральні схеми, модулі ULD містили кілька компонентів. Вони використовували прості кремнієві кристали, у кожному з яких був лише один транзистор або два діоди. Ці матриці разом з друкарськими товстоплівковими друкарськими резисторами були встановлені на керамічній пластині для реалізації схем на кшталт логічного вентиля. Ці модулі були варіантом модулів SLT (), розроблених для комп'ютерів IBM популярної серії S/360. IBM почала розробку модулів SLT в 1961 році, перш ніж інтегральні схеми стали комерційно ефективними, і до 1966 року IBM випускала понад 100 мільйонів модулів SLT на рік.
Модулі ULD були значно меншими за модулі SLT, як видно на фотографії нижче, що робить їх більш придатними для компактного космічного комп'ютера Модулі ULD використовували керамічні майданчики-покриття замість металевих штирьків у SLT, і мали металеві контакти на верхній поверхні замість пінів. Затискачі на платі утримували модуль ULD на місці та з'єднувалися з цими контактами.
Чому IBM використовувала модулі SLT замість інтегральних схем? Основна причина полягала в тому, що інтегральні схеми були ще в стані зародків, їх винайшли в 1959 році. У 1963 році модулі SLT мали переваги у вартості та продуктивності порівняно з інтегральними схемами. Тим не менш, модулі SLT найчастіше розглядалися як відсталі порівняно з інтегральними схемами. Однією з переваг модулів SLT над інтегральними схемами було те, що резистори в SLT були набагато точнішими, ніж в інтегральних схемах. Під час виготовлення товстоплівкові резистори в модулях SLT зазнавали ретельної піскоструминної обробки для видалення резистивної плівки до тих пір, поки вони не отримували бажаний опір. Модулі SLT були також дешевшими, ніж порівняльні інтегральні схеми у 1960-х роках.
LVDC та пов'язане з ним обладнання використовували понад 50 різних типів ULD.
Модулі SLT (ліворуч) значно більші за модулі ULD (праворуч). Розмір ULD складає 7,6 мм × 8 мм
Нижче наведено внутрішні компоненти модуля ULD. Ліворуч на керамічній пластині видно провідники, з'єднані з чотирма крихітними квадратними кремнієвими кристалами. Це схоже на друковану плату, але майте на увазі, що вона набагато менша за нігтя. Чорні прямокутники праворуч - це товстоплівкові резистори, надруковані на нижній стороні пластини.
ULD, вид зверху та знизу. Видно кремнієві кристали та резистори. У той час, як модулі SLT мали резистори на верхній поверхні, модулі ULD мали резистори внизу, що збільшувало щільність, а також вартість
На фотографії нижче видно кремнієвий кристал із модуля ULD, який реалізовував два діоди. Розміри надзвичайно малі, для порівняння поруч знаходяться кристалики цукру. Кристал мав три зовнішні з'єднання через мідні кульки, припаяні до трьох кіл. Два нижні кола (аноди двох діодів) були леговані (темніші області), тоді як верхнє праве коло було катодом, з'єднаним з основою.
Фотографія дводіодного кремнієвого кристала поруч із кристалами цукру
Як працює пам'ять на магнітних сердечниках
Пам'ять на магнітних сердечниках була основною формою зберігання даних на комп'ютерах з 1950-х років, поки в 1970-х роках вона не була замінена напівпровідниковими пристроями, що запам'ятовують. Пам'ять була створена з крихітних феритових кілець, званих сердечниками. Феритові кільця розставлялися в прямокутну матрицю і через кожне кільце проходило від двох до чотирьох проводів для зчитування та запису інформації. Кільця дозволяли зберігати один біт інформації. Сердечник намагнічувався за допомогою імпульсу струму через дроти, що проходять через феритове кільце. Напрямок намагніченості одного сердечника можна було змінити, надіславши імпульс у протилежному напрямку.
Для зчитування значення сердечника імпульс струму переводив кільце в стан 0. Якщо раніше сердечник знаходився в стані 1, магнітне поле, що змінюється, створювало напругу в одному з проводів, що пронизує сердечники. Але якби сердечник вже знаходився в стані 0, магнітне поле не змінилося б, і в проводі, що зчитує, не піднялося б напруга. Таким чином, значення біта в сердечнику зчитувалося шляхом скидання його в нуль і перевірки напруги на проводі, що зчитує. Важливою особливістю пам'яті на магнітних сердечниках було те, що читання феритового кільця руйнував його значення, тому сердечник потрібно було «переписати».
Використовувати окремий провід зміни намагніченості кожного сердечника було незручно, але у 1950-х роки розробили феритовую пам'ять, працюючу за принципом збігу струмів. Схема з чотирма проводами — X, Y, зчитування, заборона стала загальноприйнятою. Технологія використовувала особливу властивість сердечників, що називається гістерезисом: невеликий струм не впливає на феритову пам'ять, але струм вище порогового значення намагнічував би сердечник. При подачі живлення з половиною необхідного струму на одну лінію X і одну лінію Y тільки осердя, в якому пересічені обидві лінії, отримував достатній струм для перемагнічування, тоді як інші осердя залишалися недоторканими.
Так виглядала пам'ять IBM 360 Model 50. LVDC і модель 50 використовували осердя одного типу, відомі як 19-32, тому що їх внутрішній діаметр становив 19 міл (0.4826 мм), а їхній зовнішній діаметр становив 32 міл (0,8 мм). На цій фотографії видно, що через кожен сердечник проходить три дроти, але LVDC використовував чотири дроти
На фото нижче показано одну прямокутну матрицю пам'яті LVDC. 8 Ця матриця має 128 X-проводів, що йдуть вертикально, і 64 Y-проводів, що йдуть горизонтально, із сердечником на кожному перетині. Єдиний провід на читання проходить через усі жили паралельно Y-подібним проводам. Провід на запис та провід заборони проходять через усі жили паралельно X-проводам. Провіди перетинаються в середині матриці; це зменшує індукований шум, тому що шум від половини нейтралізує шум від іншої половини.
Одна матриця феритової пам'яті LVDC, що містить 8192 біти. З'єднання з іншими матрицями здійснюється через штирі на зовнішній стороні
У матриці вище було 8192 елементи, кожен із яких зберігав один біт. Щоб зберегти слово пам'яті, кілька базових матриць складалися разом по одній для кожного біта в слові. Проводи X та Y проходили змійкою по всіх основних матрицях. Кожна матриця мала окрему лінію для читання та окрему лінію заборони для запису. Пам'ять LVDC використовувала стопку з 14 базових матриць (нижче), що зберігають 13-бітний «склад» разом з бітом парності.
Стоп LVDC складається з 14 основних матриць
Запис на згадку про магнітних сердечниках вимагала додаткових проводів, про ліній заборони. Кожна матриця мала одну лінію заборони, що пронизує всі сердечники в ній. У процесі запису струм проходить через лінії X і Y, перемагнічуючи вибрані кільця (по одному на площину) стан 1, зберігаючи всі 1 в слові. Щоб записати 0 у позиції біта, лінія запитувалася половинним струмом, протилежним лінії Х. У результаті сердечники залишалися у значенні 0. Таким чином, лінія заборони не дозволяла сердечнику перевернутися на 1. Будь-яке бажане слово могло бути записане на згадку шляхом активації відповідних ліній заборони.
Модуль пам'яті LVDC
Як фізично сконструйовано модуль пам'яті LVDC? У центрі модуля пам'яті знаходиться стос із 14 матриць феромагнітної пам'яті, показаних раніше. Він оточений декількома платами зі схемою для керування проводами X і Y та лініями заборони, лінії зчитування бітів, виявлення помилок та генерації необхідних тактових сигналів.
Взагалі, більшість схем, пов'язаних з пам'яттю, знаходиться в комп'ютерній логіці LVDC, а не в самому модулі пам'яті. Зокрема, логіка комп'ютера містить регістри для зберігання адреси та слова даних та перетворення між послідовним та паралельним. Він також містить схему читання з ліній зчитування бітів, перевірки помилок та тактування.
Модуль пам'яті із зазначенням ключових компонентів. MIB (Multilayer Interconnection Board) – це 12-шарова друкована плата
Плата драйвера пам'яті Y
Слово у пам'яті на магнітних сердечниках вибирається шляхом проходження відповідних ліній X та Y через основний стос плат. Почнемо з опису схеми Y-драйвера та того, як він генерує сигнал через одну з 64 Y-ліній. Замість 64 окремих ланцюгів драйверів модуль зменшує кількість схем завдяки використанню 8 «високих» драйверів та 8 «низьких» драйверів. Вони підключені до «матричної» конфігурації, тому кожна комбінація з високим і низьким драйверами вибирає різні рядки. Таким чином, 8 «високих» та 8 «низьких» драйверів вибирають одну з 64 (8×8) Y-ліній.
Плата драйвера Y (передня частина) керує лініями вибору Y у стопці плат
На фото нижче можна побачити деякі з модулів ULD (білі) та пари транзисторів (золотисті), які керують лініями вибору Y. Модуль «EI» - це серце драйвера: він подає імпульс постійної напруги (E) або пропускає імпульс постійного струму (I) через лінію вибору. Лінія вибору керується активацією модуля EI в режимі напруги на одному кінці лінії та модуля EI в режимі струму на іншому кінці. Результатом є імпульс з правильною напругою та струмом, достатнім для перемагнічування сердечника. Потрібний великий імпульс, щоб перевернути його; імпульс напруги фіксується на 17 вольт, а струм коливається від 180 до 260 мА в залежності від температури.
Макрофото плати драйвера Y, що показує шість модулів ULD та шість пар транзисторів. Кожен модуль ULD позначений номером деталі IBM, типом модуля (наприклад, «EI») та кодом, значення якого не з'ясовано
Плата також має модулі стеження за помилками (ED), які виявляють, коли одночасно активується більше однієї лінії вибору Y. Модуль ED використовує просте напіваналогове рішення: він підсумовує вхідні напруги, використовуючи мережу резисторів. Якщо результуюча напруга вище за поріг, ключ спрацьовує.
Під платою драйвера знаходиться діодна матриця, що містить 256 діодів та 64 резистора. Ця матриця перетворює 8 верхніх і 8 нижніх пар сигналів від плати драйверів на з'єднання з 64 Y-лініями, які проходять через основний стос плат. Гнучкі кабелі зверху та знизу плати з'єднують плату з діодною матрицею. Два гнучкі кабелі зліва (на фото не видно) і дві шини праворуч (одна видна) з'єднують діодну матрицю з масивом сердечників. Гнучкий кабель, видимий ліворуч, з'єднує Y-плату з рештою комп'ютера через плату вводу-виводу, а невеликий гнучкий кабель у нижньому правому куті з'єднується з платою тактового генератора.
Плата драйвера пам'яті X
Схема для керування лініями X аналогічна схемі Y, за винятком того, що є 128 ліній X і 64 ліній Y. Оскільки X-проводів вдвічі більше, у модуля є друга плата X-драйверів, розташована під нею. Хоча плати X та Y мають однакові компоненти, розведення різна.
Ця плата та аналогічна під нею керують X вибраними рядками в стопці плат із сердечниками
На фото нижче видно, що на платі було пошкоджено деякі компоненти. Один із транзисторів зміщений, модуль ULD зламаний навпіл, а інший відламаний. Розведення видно у зламаного модуля, там же видніється один з крихітних кремнієвих кристалів (праворуч). На цьому фото також можна розглянути сліди вертикальних і горизонтальних доріжок на 12-шаровій друкованій платі.
Крупний план пошкодженої ділянки плати
Під платами драйверів X розташована матриця діодів X, що містить 288 діодів та 128 резисторів. X-діодна матриця використовує топологію, відмінну від Y-діодної плати, щоб уникнути подвоєння кількості компонентів. Як і Y-діодна плата, ця плата містить компоненти, встановлені вертикально між двома друкованими платами. Цей метод називається "кордвуд" і дозволяє щільно пакувати компоненти.
Макрофото матриці діода X показує вертикально встановлені діоди за методикою кордвуд між двома друкованими платами. Дві плати драйверів X знаходяться над діодною платою, відокремленою від них пінополіуретаном. Зверніть увагу, що друковані плати розташовані дуже близько одна до одної
Підсилювачі пам'яті
На фото нижче показано плату підсилювача зчитування. Має 7 каналів для читання 7 біт зі стека пам'яті; ідентична плата нижче обробляє ще 7 біт, лише 14 біт. Завдання підсилювача зчитування полягає у виявленні слабкого сигналу (20 мілівольт), що генерується перемагнічуваним сердечником, і перетворенні його на 1-бітний вихід. Кожен канал складається з диференціального підсилювача та буфера, за яким слідують диференціальний трансформатор та вихідний фіксатор. Зліва 28-жильний гнучкий кабель підключається до стека пам'яті, підводячи два кінці кожного зчитуючого дроту до схеми підсилювача, починаючи з модуля MSA-1 (підсилювач зчитування пам'яті). Окремими компонентами є резистори (коричневі циліндри), конденсатори (червоні), трансформатори (чорні) та транзистори (золоті). Біти даних виходять із плат підсилювача зчитування через гнучкий кабель праворуч.
Плата підсилювача зчитування у верхній частині модуля пам'яті. Ця плата посилює сигнали від сенсорних дротів для створення вихідних бітів
Драйвер лінії заборони запису
Драйвери заборони використовуються для запису пам'яті на нижній стороні основного модуля. Існує 14 ліній заборони, по одній для кожної матриці в стеку. Щоб записати 0 біт, відповідний драйвер блокування активується, і струм через лінію заборони запобігає перемиканню сердечника на 1. Кожну лінію наводять модуль ID-1 та ID-2 (драйвер лінії заборони запису) та пара транзисторів. Високоточні резистори 20,8 Ом у верхній та нижній частині плати регулюють струм блокування. 14-провідний гнучкий кабель праворуч з'єднує драйвери з 14 забороняючими проводами в стопці плат із сердечниками.
Забороняюча плата у нижній частині модуля пам'яті. Ця плата генерує 14 сигналів, що використовуються під час запису.
Пам'ять драйвера годинника
Драйвер годинника – це пара плат, які генерують сигнали синхронізації для модуля пам'яті. Як тільки комп'ютер починає операцію з пам'яттю, різні синхронізуючі сигнали, що використовуються модулем пам'яті, генеруються асинхронним драйвером годинника модуля. Плати приводу годинника знаходяться в нижній частині модуля, між стеком і платою заборони, тому плати погано видно.
Плати драйвера тактової частоти знаходяться нижче основного стека пам'яті, але над платою блокування
Сині компоненти плати на фотографії вгорі є багатооборотними потенціометрами, імовірно для регулювання часу або напруги. Резистори та конденсатори також видно на платах. Схема показує кілька модулів MCD (Memory Clock Driver), але жодних модулів на платах не видно. Важко сказати, чи це пов'язано з обмеженою видимістю, зміною схеми або наявністю іншої плати з цими модулями.
Панель вводу-виводу пам'яті
Останньою платою модуля пам'яті є панель вводу-виводу, яка розподіляє сигнали між платами модуля пам'яті та іншою частиною комп'ютера LVDC. Зелений 98-контактний роз'єм унизу підключається до шасі пам'яті LVDC, забезпечуючи сигнали та живлення від комп'ютера. Більшість пластмасових роз'ємів зламана, через що видно контакти. Розподільна плата з'єднана з цим роз'ємом двома 49-контактними гнучкими кабелями внизу (видимий лише передній кабель). Інші гнучкі кабелі розподіляють сигнали на плату X-драйвера (ліворуч), плату Y-драйвера (праворуч), плату підсилювача зчитування (вгорі) та плату заборони (внизу). 20 конденсаторів на платі фільтрують живлення, яке подається на модуль пам'яті.
Плата вводу-виводу між модулем пам'яті та іншою частиною комп'ютера. Зелений роз'єм внизу підключається до комп'ютера, і ці сигнали надсилаються через плоскі кабелі до інших частин модуля пам'яті
Висновок
Основний модуль пам'яті LVDC забезпечував компактне, надійне сховище. У нижню половину комп'ютера можна було розмістити до 8 модулів пам'яті. Це дозволило комп'ютеру зберігати 32 26-бітових слів або 16 кіловорд у надмірному високонадійному «дуплексному» режимі.
Одна цікава особливість LVDC полягала в тому, що модулі пам'яті можна віддзеркалювати для надійності. У «дуплексному» режимі кожне слово зберігалося у двох модулях пам'яті. Якщо в одному модулі відбулася помилка, правильне слово можна отримати з іншого модуля. Хоча це забезпечило надійність, воно скоротило обсяг пам'яті вдвічі. Як альтернатива модулі пам'яті можуть використовуватися в «симплексному» режимі, причому кожне слово зберігається один раз.
LVDC містив до восьми модулів пам'яті центрального процесора
Модуль пам'яті на магнітних осердях дозволяє отримати наочне уявлення про час, коли для зберігання 8 КБ був потрібен 5-фунтовий (2,3 кг) модуль. Втім, ця пам'ять була досконалою для свого часу. Подібні пристрої перестали використовувати у 1970-х роках із появою напівпровідникових DRAM.
Вміст оперативної пам'яті зберігається при відключенні живлення, тому цілком імовірно, що модуль все ще зберігає програмне забезпечення з моменту останнього використання комп'ютера. Так-так, там можна знайти щось цікаве навіть через десятиліття. Було б цікаво спробувати відновити ці дані, але пошкоджена схема створює проблему, тому вміст, мабуть, не вдасться витягти з модуля пам'яті ще десятиліття.
Що ще корисного можна почитати у блозі
→
→
→
→
→
Підписуйтесь на наш -Канал, щоб не пропустити чергову статтю! Пишемо не частіше двох разів на тиждень і лише у справі. А ще нагадуємо, що Cloud4Y може надати безпечний та надійний віддалений доступ до бізнес-додатків та інформації, необхідних для забезпечення безперервності бізнесу. Віддалена робота - додатковий бар'єр на шляху розповсюдження коронавірусу. Подробиці у наших менеджерів.
Джерело: habr.com