Ordinateur à tube à vide

Un ordinateur à tube à vide, aujourd’hui appelé ordinateur de première génération, est un ordinateur qui utilise des tubes à vide pour ses circuits logiques. Bien qu’ils aient été remplacés par des ordinateurs transistorisés de deuxième génération, les ordinateurs à tubes à vide ont continué à être construits dans les années 1960. Ces ordinateurs étaient pour la plupart des modèles spéciaux et uniques.

Développement

En 1918, Eccles et Jordan ont décrit l’utilisation d’amplificateurs à tube à vide utilisant le couplage croisé pour produire des trains d’impulsions. Ce circuit est devenu la base du système de bascule, un circuit à deux états qui est devenu l’élément fondamental des ordinateurs électroniques binaires numériques modernes.

L’ordinateur Atanasoff-Berry, dont le prototype a été présenté pour la première fois en 1939, est aujourd’hui considéré comme le premier ordinateur à tube à vide. Cependant, il ne pouvait pas être utilisé comme ordinateur universel capable de résoudre des systèmes d’équations linéaires, et il n’était pas très fiable.

Pendant la Seconde Guerre mondiale, des ordinateurs numériques à tube à vide spécialisés ont été utilisés, comme l’ordinateur Colossus, pour décrypter les codes allemands et japonais. Les renseignements militaires recueillis par ces systèmes étaient essentiels à l’effort de guerre des Alliés.

Chaque ordinateur Colossus utilisait entre 1 600 et 2 400 tubes à vide. L’existence de la machine a été tenue secrète et son application est restée inconnue du public jusque dans les années 1970.
Pendant la guerre également, Konrad Zuse a mis au point des ordinateurs binaires électromécaniques. Pendant la guerre, l’armée allemande n’a pas accordé la priorité au développement des ordinateurs. En 1942, un circuit informatique électronique expérimental a été mis au point avec une centaine de tubes à vide, mais il a été détruit lors d’un raid aérien.

Aux États-Unis, les travaux sur l’ordinateur ENIAC ont commencé à la fin de la Seconde Guerre mondiale. La machine a été achevée en 1945. Bien que l’une des applications ayant motivé son développement ait été la production de tables de tir d’artillerie, l’une des premières utilisations de l’ENIAC a été d’effectuer des calculs liés à la mise au point d’une bombe à hydrogène. L’ENIAC était programmé à l’aide de panneaux de connexion et de commutateurs plutôt qu’à l’aide d’un programme stocké électroniquement. Une série de conférences d’après-guerre révélant la conception de l’ENIAC et un rapport de John von Neumann sur un successeur prévisible de l’ENIAC, la première ébauche d’un rapport sur l’EDVAC, ont été largement diffusés et ont influencé la conception des ordinateurs à tubes pendant la période d’après-guerre.

Le Ferranti Mark 1 (1951) est considéré comme le premier ordinateur à tubes à vide utilisé commercialement. Le premier ordinateur de ce type produit en série a été l’IBM 650 (1953).

Problèmes de conception

La technologie des tubes à vide nécessite une grande quantité d’électricité. L’ordinateur ENIAC (1946) comportait plus de 17 000 tubes et subissait des pannes de tubes (qu’il fallait environ 15 minutes pour localiser) en moyenne tous les deux jours. En fonctionnement, l’ENIAC consommait 150 kilowatts, dont 80 kilowatts pour le chauffage des tubes, 45 kilowatts pour l’alimentation en courant continu, 20 kilowatts pour les ventilateurs et 5 kilowatts pour l’équipement auxiliaire des cartes perforées.

Comme la défaillance de n’importe lequel des milliers de tubes d’un ordinateur pouvait entraîner des erreurs, la fiabilité des tubes revêtait une grande importance. Des tubes de qualité spéciale ont été construits pour les ordinateurs, avec des normes plus strictes en matière de matériaux, d’inspection et de test que les tubes de réception standard.
Un effet du fonctionnement numérique qui apparaît rarement dans les circuits analogiques est l’empoisonnement de la cathode. Les tubes à vide qui fonctionnent pendant des intervalles prolongés sans plaque développent une couche de haute résistivité sur les cathodes, ce qui réduit le gain du tube. Des matériaux spécialement sélectionnés pour les tubes d’ordinateur étaient nécessaires pour éviter cet effet. Pour éviter les contraintes mécaniques associées au chauffage des tubes à la température de fonctionnement, les réchauffeurs de tubes étaient souvent soumis à une tension de fonctionnement maximale appliquée lentement, pendant une minute ou plus, afin d’éviter les fractures liées aux contraintes des réchauffeurs de cathodes. L’alimentation des réchauffeurs pouvait être laissée pendant le temps d’attente de la machine, les alimentations de plaques à haute tension étant déconnectées. Les tests marginaux ont été incorporés dans les sous-systèmes d’un ordinateur à tube à vide ; en réduisant les tensions de plaque ou de chauffage et en testant le bon fonctionnement, il est possible de détecter les composants qui risquent de tomber en panne prématurément. Pour réguler toutes les tensions d’alimentation et empêcher les surtensions et les baisses de tension d’affecter le fonctionnement de l’ordinateur, l’alimentation a été obtenue à partir d’un moteur-générateur qui a amélioré la stabilité et la régulation des tensions d’alimentation.
Deux grands types de circuits logiques ont été utilisés dans la construction des ordinateurs à tube à vide. Le type de couplage «asynchrone» ou à courant continu n’utilisait que des résistances pour se connecter entre les portes logiques et à l’intérieur des portes elles-mêmes. Les niveaux logiques étaient représentés par deux tensions largement séparées. Dans le type de logique «asynchrone» ou «à impulsions dynamiques», chaque étage était couplé par des réseaux d’impulsions tels que des transformateurs ou des condensateurs. Une impulsion de type «horloge» est appliquée à chaque élément logique. Les états logiques sont représentés par la présence ou l’absence d’impulsions pendant chaque intervalle d’horloge. Les conceptions asynchrones pouvaient fonctionner plus rapidement, mais nécessitaient davantage de circuits pour se protéger contre les «courses» logiques, car les différents chemins logiques avaient des temps de propagation différents de l’entrée à la sortie stable. Les systèmes synchrones évitaient ce problème, mais nécessitaient des circuits supplémentaires pour distribuer un signal d’horloge, qui pouvait avoir plusieurs phases pour chaque étage de la machine. Les étages logiques à couplage direct étaient quelque peu sensibles à la dérive des valeurs des composants ou aux petits courants de fuite, mais la nature binaire de l’opération donnait aux circuits une marge considérable contre les dysfonctionnements dus à la dérive. Le Whirlwind du MIT est un exemple de calcul «à impulsions» (synchrone). Les ordinateurs IAS (LLIAC et autres) utilisaient des étages logiques asynchrones à couplage direct.
Les ordinateurs à tubes utilisaient principalement des triodes et des pentodes comme éléments de commutation et d’amplification. Au moins une porte à tube spécialement conçue possédait deux grilles de contrôle aux caractéristiques similaires, ce qui lui permettait d’implémenter directement une porte ET à deux entrées. Les thyratrons ont parfois été utilisés, par exemple pour piloter des dispositifs d’E/S ou pour simplifier la conception de verrous et de registres de maintien. Les ordinateurs à tubes à vide faisaient souvent un usage intensif de diodes à l’état solide («cristal») pour exécuter les fonctions logiques ET et OU, et n’utilisaient les tubes à vide que pour amplifier les signaux entre les étages ou pour construire des éléments tels que des bascules, des compteurs et des registres. Les diodes à semi-conducteurs réduisaient la taille et la consommation d’énergie de l’ensemble de la machine.

Technologie de la mémoire

Les premiers systèmes utilisaient diverses technologies de mémoire avant d’opter pour une mémoire à noyau magnétique. L’ordinateur Atanasoff-Berry de 1942 stockait les valeurs numériques sous forme de nombres binaires dans un tambour mécanique rotatif, avec un circuit spécial pour mettre à jour cette mémoire «dynamique» à chaque révolution. L’ENIAC de l’époque de la guerre pouvait stocker 20 nombres, mais les registres à tube à vide utilisés étaient trop coûteux à construire pour stocker plus de quelques nombres. Un ordinateur à mémoire programmée était hors de portée jusqu’à ce qu’une forme peu coûteuse de mémoire soit mise au point. Maurice Wilkes a construit l’EDSAC en 1947, qui disposait d’une mémoire à ligne à retardement au mercure capable de stocker 32 mots de 17 bits chacun. Comme la mémoire à retardement était organisée en série, la logique de la machine était également sérielle en bits.



La mémoire à retardement au mercure a été utilisée par J. Presper Eckert dans l’EDVAC et l’UNIVAC I. Eckert et John Mauchly ont obtenu un brevet pour la mémoire à ligne à retard en 1953. Les bits d’une ligne à retard sont stockés sous forme d’ondes sonores dans le support, qui se déplacent à une vitesse constante. L’UNIVAC I (1951) utilisait sept unités de mémoire, chacune avec 18 colonnes de mercure, stockant 120 bits chacune. Cela permettait de disposer d’une mémoire de 1000 mots de 12 caractères avec un temps d’accès moyen de 300 microsecondes. Ce sous-système de mémoire constituait sa propre salle de visite.
Les tubes de Williams ont été le premier véritable dispositif de mémoire à accès aléatoire. Le tube de Williams affiche une grille de points sur un tube cathodique (CRT), créant une petite charge d’électricité statique sur chaque point. La charge à l’emplacement de chaque point est lue par une fine feuille de métal située juste devant l’écran. Frederic Calland Williams et Tom Kilburn ont déposé une demande de brevet pour le tube Williams en 1946. Le tube de Williams était beaucoup plus rapide que la ligne à retard, mais souffrait de problèmes de fiabilité. L’UNIVAC 1103 utilisait 36 tubes de Williams d’une capacité de 1024 bits chacun, ce qui donnait une mémoire vive totale de 1024 mots de 36 bits chacun. Le temps d’accès à la mémoire du tube de Williams sur l’IBM 701 était de 30 microsecondes.

La mémoire à tambour magnétique a été inventée en 1932 par Gustav Tauschek en Autriche. Un tambour se compose d’un grand cylindre métallique à rotation rapide recouvert d’un matériau d’enregistrement ferromagnétique. La plupart des tambours comportaient une ou plusieurs rangées de têtes de lecture/écriture fixes le long de l’axe long du tambour pour chaque piste. Le contrôleur du tambour sélectionnait la tête appropriée et attendait que les données apparaissent sous celle-ci au fur et à mesure que le tambour tournait. L’IBM 650 avait une mémoire de tambour de 1000 à 4000 mots de 10 chiffres avec un temps d’accès moyen de 2,5 millisecondes.
La mémoire à noyau magnétique a été brevetée par An Wang en 1951. La mémoire utilise de petits noyaux magnétiques, à travers lesquels des fils sont enfilés pour écrire et lire des informations. Chaque noyau représente un bit d’information. Les noyaux peuvent être magnétisés de deux manières différentes (dans le sens des aiguilles d’une montre ou dans le sens inverse) et le bit stocké sur un noyau est soit zéro, soit un, en fonction du sens de magnétisation de ce noyau. Les fils permettent de régler un noyau individuel sur un ou zéro et de modifier sa magnétisation en envoyant des impulsions de courant électrique appropriées à travers les fils sélectionnés. La mémoire à noyau offre un accès aléatoire et une vitesse plus élevée, ainsi qu’une plus grande fiabilité. Elle a été rapidement utilisée dans des ordinateurs tels que le MIT/IBM Whirlwind, où 1024 mots initiaux de mémoire de 16 bits ont été installés pour remplacer les tubes Williams. De même, l’UNIVAC 1103 est devenu le 1103A en 1956, et la mémoire centrale a remplacé les tubes de Williams. La mémoire centrale utilisée dans le 1103 avait un temps d’accès de 10 microsecondes.

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