Шаттлы, бомбардировщики, космические лаборатории: история аэрокосмических компьютеров IBM 4 Pi, часть вторая

← Первая часть

AP-102 и VHSIC

В середине 1980-х IBM выпустила компьютер AP-102. К 1992 году он стал самым популярным из процессоров авионики IBM: компания продала тысячу таких устройств. AP-102 стал технологическим шагом вперёд по сравнению с AP-101, потому что в нём использовались два чипа VLSI (Very Large Scale Integration) по 12 тысяч вентилей каждый: один чип реализовывал Instruction Processing Unit, а второй — Extended Arithmetic Unit (умножение и деление с фиксированной и плавающей запятой). Эти чипы были изготовлены по двухмикрометровой технологии N-МОП. Для хранения данных в AP-102 применялась статическое КМОП-ОЗУ , которое было гораздо плотнее, чем память на сердечниках, потребляя при этом в десять раз меньшую мощность. Так как КМОП-ОЗУ теряет своё содержимое при отключении питания, AP-102 имел резервный аккумулятор — литий-тионилхлоридные элементы, способные обеспечивать питание памяти в течение семи лет.

AP-102 был компактным, в половину ширины AP-101¹. Он весил 9,4 кг и потреблял 95 Вт. В нём использовался стандартный военный набор команд 1750A; он исполнял более одного миллиона команд в секунду. В 1980-х AP-102 применялся во многих летательных аппаратах, в том числе в истребителях F-117A Nighthawk, вертолётах для специальных операций MH-53J, в системе навигации и доставки боеприпасов к цели (AN/ASQ-203), «неуказанном боевом вертолёте» и в засекреченном проекте.

Спустя несколько лет AP-102 получил апгрейд: новую технологию VHSIC. Если вы программировали FPGA (Field-Programmable Gate Array), то, вероятно, пользовались при этом языком Verilog или VHDL. Последний — это аббревиатура-матрёшка, она расшифровывается, как VHSIC Hardware Description Language, где VHSIC — это Very High Speed Integrated Circuit. Но откуда взялось такое странное название?

В 1980 году Министерство обороны запустило программу ценой миллиард долларов, призванную поддерживать технологическое лидерство США относительно СССР. Эта программа, называвшаяся Very High Speed Integrated Circuit program, должна была ускорить адаптацию современных интегральных схем к применению в оборонной отрасли. IBM была одним из партнёров, разрабатывавших эти «суперчипы» VHSIC. IBM разработала процессор V1750 — чип с защитой от радиации, работавший на стандартизованном наборе команд 1750A ВВС США². Этот КМОП-чип изготавливался по передовому на тот момент 1-микрометровому техпроцессу и работал со скоростью 3 MIPS (миллионы команд в секунду).

Приблизительно в 1992 году компьютер управления полётами AP-102 подвергся апгрейду: в нём стали использовать процессор V1750. Получившийся компьютер назвали AP-102A. В процессоре V1750 компания IBM уместила CPU и память на одну карту, которую можно было просто установить вместо шести карт старого AP-102. В результате компьютер получал увеличение памяти вплоть до 16-кратного и трёхкратное повышение производительности; кроме того, надёжность его повышалась, а масса и энергопотребление снижались.

Subsystem Processor (SP)

Следующий в линейке Advanced System — SP Subsystem Processor, рассчитанный на применение в качестве подсистемы. В отличие от серии AP, компьютеры SP имели 16-битное, а не 32-битное слово, и в целом были медленнее и компактнее, зато потребляли меньше энергии. Архитектурно компьютеры SP были проще, они имели всего два-три регистра.

Астронавты на шаттле отслеживали полётную информацию и сигналы управления на четырёх экранах³. Эти монохромные зелёные ЭЛТ-дисплеи отображали текст и примитивную векторную графику из линий и окружностей, а не из пикселей. Каждый экран управлялся Display Electronics Unit (DEU).

Изнутри DEU очень похож на компьютер AP-101B шаттла, это большой ящик, заполненный страницами. Одна из страниц — это CPU компьютера SP-0, а на остальных страницах содержатся 32 тысяч слов памяти, интерфейсы с основными компьютерами и управление ЭЛТ-дисплеями. SP-0 занимался фильтрацией клавиатурных данных, хранением времени и мониторингом показателей систем жизнеобеспечения. Он получал динамические данные с основных компьютеров шаттла и форматировал их для ЭЛТ-дисплея.

Показанный ниже компьютер SP-0A применялся в противолодочном самолёте Lockheed S-3 Viking, предположительно этот компьютер находился в системе радиоэлектронной разведки AN/ALR-47 для обнаружения вражеского радара и коммуникационных сигналов.

Компьютер SP-0B применялся в блоке наведения на среднем участке траектории противокорабельной ракеты «Гарпун»⁴. Изначально он имел память на магнитных сердечниках, а 1974 году его проапгрейдили полупроводниковой памятью. Обратите внимание на изогнутую форму корпуса, позволявшую уместить его в ракете.

У показанного ниже SP-1 был на один регистр больше, чем у SP-0, также он обладал более высокой производительностью (342500 операций в секунду). У него имелась версия SP-1A без корпуса массой всего 1,6 кг. В SP-1M для повышения производительности добавили ещё несколько команд. Имевший гораздо большие размеры SP-1B весил 90 кг, он был предназначен для наземного применения. IBM составила длинный список областей применения SP-1: «F-4 ATIS, навигация, стабилизация и управление ракетами и дронами, коммуникационный процессор, стабилизация и управление торпедами».

Громоздкий SP-201 выделялся на фоне остальных компьютеров серии SP: он весил 300 кг. Он обладал большей производительностью, чем другие модели SP (450 тысяч команд в секунду). Этот компьютер применялся в сонарной системе подводных лодок класса «Лос-Анджелес» и «Огайо». В носовой части подлодки располагалась огромная сфера диаметром 4,5 метра, усеянная более чем тысячей преобразователей для распознавания подводных звуков. В AN/BQQ-5 компьютер SP-201 применялся в качестве «постклассификационного сигнального процессора»⁵, анализирующего эти сонарные сигналы и управляющего дисплеями с зелёными линиями, которые указывают на присутствие кораблей (а иногда китов). Этот компьютер специально проектировался так, чтобы его можно было грузить в подлодку через стандартный 25-дюймовый (63,5 см) люк.

Command and Control (CC)

Хотя серия AP была звездой линейки Advanced System/4 Pi, самолётом Boeing E-3A Sentry AWACS (Airborne Warning and Control System) всё-таки управляли огромные компьютеры CC. AWACS — это Boeing 707 с расположенным сверху вращающимся 9-метровым куполом радара, походящим на огромный гриб, проросший из фюзеляжа. Этот радар мог отслеживать активность более чем в 400 километрах, обеспечивая исчерпывающую картину района боевых действий. CC был центральным полётным компьютером AWACS, который обрабатывал радарные данные и отправлял их на 14 дисплейных терминалов, а также предоставлял функции командования и управления.

CC-1 был разработан в 1971 году как самый быстрый компьютер из линейки System/4 Pi (740 тысяч операций). Он поддерживал архитектуру System/360, в том числе и периферийные устройства System/360, но в то же время имел и поддержку оптимизированной «архитектуры CC-1»⁶. За CC-1 последовал CC-2 (1980 год), который благодаря применению цепей Super Schottky TTL мог похвастаться производительностью 2 миллиона команд в секунду.

Компьютер CC-2E с Memory Enhancement обеспечивал вчетверо большее основное хранилище и восьмикратно увеличенное постоянное хранилище. По сравнению с остальной линейкой 4 Pi, компьютер CC-2E был огромным, он весил 828 кг, а его высота составляла почти 1,8 метра. Он имел скорость более 2,7 MIPS — в два с лишним раза больше, чем скорость модернизированного компьютера шаттла. Для обеспечения надёжности компьютер имел избыточную мощность. Также он обладал функцией «обнаружения ядерного события и выживания».

На фото выше показан шкаф CC-2E. Компьютер изготовлен из двух типов плат: по большей части он состоит из крупных страниц MCS, а в блоках DMX и Computer Control использованы компактные страницы предыдущих систем 4 Pi.

В CC-2E применили необычную технологию массового энергонезависимого хранилища: магнитную пузырьковую память. В 1970-х годах пузырьковая память была технологией хранения будущего, она обеспечивала объём хранения, как на жёстких дисках, со скоростями памяти на сердечниках. В ней использовались крошечные магнитные «пузырьки», движущиеся по дорожкам при помощи магнитных полей. Однако из-за прогресса в разработке полупроводниковой памяти пузырьковая память стала неконкурентоспособной; к 1981 году New York Times ехидно назвал её лопнувшим компьютерным пузырём. Пузырьковая память была популярна у военных, потому что она, в отличие от жёстких дисков, нечувствительна к вибрациям. В каждом блоке пузырьковой памяти (BMU) CC-2E хранилось 8 мегабайт — в четыре раза больше, чем в блоке полупроводниковой монолитной памяти (MMU) схожего размера. Они пришли на замену четырём вращающимся магнитным барабанам первого CC-1, каждый из которых хранил 400 тысяч слов. Чтобы информация не попала не в те руки, у модулей пузырьковой памяти имелась функция «уничтожения данных».

CC-2E имел два арифметических устройства, каждое из которых состояло примерно из 26 страниц MCS (см. выше). Каждое арифметическое устройство представляло собой 32-битный компьютер, реализующий 182 команд с фиксированной и плавающей запятыми, а также кэш на 8 тысяч слов для повышения производительности. Он был совместим с мейнфреймом System/360 и имел расширения, например, поддержку битовых полей произвольной длины.

ML-1

Примерно в 1974 году IBM представила компактный компьютер ML-1⁷, ширина которого была вдвое меньше, чем у AP-101. Технологический прогресс ML-1 заключался в применении чипов LSI (Large Scale Integration), в среднем содержащих 110 логических вентилей на чип. (Обычно считается, что LSI содержит 100-1000 вентилей, так что эти чипы находились на самом нижнем краю линейки LSI.) Каждый чип монтировался на квадратную керамическую подложку с длиной стороны 1 дюйм (2,54 см), на нижней стороне которой расположено 48 контактов⁸.

В компьютере ML-1 использовалась та же модульная память на сердечниках, что и в AP-101, CC-1 и других системах. Также ML-1 поддерживал полупроводниковую память, которая была энергозависимой (то есть без электричества теряла своё содержимое), но стоила «существенно меньше» памяти на магнитных сердечниках, была быстрее, весила на 3,6 кг меньше (в случае компьютера на 32 тысячи слов), потребляла чуть меньшую мощность и позволяла снизить длину компьютера на 18 см.

ML-1 имел схожую с AP-101 архитектуру, отличие заключалось в 16-битной шине данных вместо 32-битной. Как и AP-101, он выполнял 550 тысяч операций в секунду. IBM утверждала, что ML-1 «адаптируем к широкому спектру применений, например, в системах наведения и доставки боеприпасов к цели, цифрового управления полётом и коммуникаций». Для поддержки систем коммуникаций в ML-1 имелись опциональные команды обработки байтов. ML-1 применялся в терминалах Joint Tactical Information Distribution System (JTIDS), в качестве контроллера шин испытательной установки IBM, а также в симуляторе приземления самолётов.

Два года спустя IBM спроектировала менее мощный ML-0 (см. выше). Этот компьютер был разработан для систем TASES и APMS ВМФ и ВВС США, но проекты были отменены. Вместо чипов LSI компьютера ML-1 в ML-0 применялись более простые TTL-чипы серии 5400 в корпусе flatpack. Плата ML-0 (ниже) немного отличается от плат MCS других компьютеров 4 Pi, потому что в ML-0 использовалось воздушное охлаждение. На задней части платы располагались металлические рёбра радиаторов; две платы образовывали сэндвич, связанный сверху двумя 84-контактными разъёмами; между рёбрами радиаторов вдувался воздух.

Заключение

Семейство компьютеров IBM System/4 Pi больше всего известно по участию в программе «Спейс шаттл», но в нём присутствовало множество менее известных компьютеров, от 1,6-килограммового SP-1A до 828-килограммового CC-2E. Компьютеры 4 Pi демонстрируют стремительный прогресс компьютерных технологий от простых интегральных схем TTL, памяти на магнитных сердечниках и тысяч команд в секунду конца 1960-х до сложных КМОП-чипов, плотной полупроводниковой памяти и миллионов команд в секунду 1980-х.

История серии 4 Pi неожиданно завершилась в 1994 году. Самым продаваемым компьютером авионики IBM был AP-102 (продана тысяча устройств). По сравнению с миллионами продаваемых IBM компьютеров PC и PS/2 прибыль от них была на уровне погрешности округления. В декабре 1994 года IBM решила сосредоточиться на своём основном бизнесе и объявила о продаже Federal Systems Division (разрабатывавшего System/4 Pi) подрядчику Министерства обороны Loral за $1,58 миллиарда. Спустя менее чем два года Loral решила сосредоточиться на спутниковых системах и продала свой бизнес военной электроники Lockheed Martin. Тем не менее, остатки истории System/4 Pi продолжают своё существование: приземистые кирпичные здания неподалёку от дороги под названием IBM Parkway в Овего (штат Нью-Йорк), в которых IBM разрабатывала System/4 Pi, всё ещё используются Lockheed Martin.

Примечания и ссылки

1. Можно заметить, что компьютеры System/4 Pi в основном выглядят одинаково: это прямоугольные ящики с ручками и разъёмами на передней панели. И это не совпадение. Корпуса многих компьютеров System/4 Pi соответствовали стандарту ATR (Air Transport Rack), часто используемому для авионики. Стандартный корпус ATR имеет ширину примерно 25,7 см и высоту 19,4 см (источник). Глубина составляет 32 см для короткого корпуса и 50 см для длинного. Стандартный корпус 1/2 ATR имеет ширину 12,4 см (чуть меньше половины ширины полного корпуса из-за толщины стойки, на которой крепится корпус). CP-1, CP-2, CP-3 и AP-101 имеют длинный корпус ATR, а ML-1, SP-1 и AP-102 — 1/2 ATR. Другие системы, например, TC-2 и AP-1, не соответствуют стандартному размеру.

2. Чипы VHSIC предназначались для работы в средах с «угрозами ядерной и космической радиации», потому были защищены от повреждений, вызываемых радиацией и электромагнитными импульсами (источник).

   Также процессор IBM V1750 применялся в центральном компьютере самолёта F-15 (VCC, VHSIC Central Computer), примерно в 1992 году заменившем компьютер AP-1R. В середине 1980-х для апгрейда Advanced Signal Processor использовался чип VHSIC Signal Conditioner, удвоивший его производительность. Кроме того, программа VHSIC финансировала работу над Generic VHSIC Spaceborne Computer (GVSC) компании IBM, который использовался в космическом аппарате «Кассини» и в других космических миссиях. (Интересно, что Министерство обороны финансировала разработку Generic VHSIC Spaceborne Computer и Honeywell, и IBM, поэтому существовало два разных компьютера с одним названием.) Очевидно, к этому моменту IBM отказалась от бренда System/4 Pi, посчитав VHSIC более привлекательным названием.

3. На дисплеях шаттла в основном отображается текст, но использовалась современная на тот момент векторная графика. На дисплее ниже показан идущий на посадку шаттл. Маленькими окружностями показано прогнозируемое местоположение шаттла через 20, 40 и 60 секунд. Большой окружностью обозначена взлётно-посадочная полоса.

   

   Дисплеи шаттлов имеют множество разных аббревиатур. ЭЛТ-дисплей назывался Display Unit (DU), он был частью Multifunction CRT Display System (MCDS). Экран управлялся Display Electronic Unit (DEU), содержащим процессор SP-0. SP-0 создавал в памяти слова формата управления (Format Control Word, FCW), управлявшие символами и векторами на дисплее. В 2000 году произошёл апгрейд MCDS до 11-цветных ЭЛТ-экранов (MEDS). Подробности см в Space Shuttle Avionics Upgrade: Issues and Opportunities, Entry, TAEM, and Approach/Landing Guidance Workbook, Space Shuttle Flight Software, Space Shuttle Avionics Systems и The Space Shuttle Orbiter's Advanced Display Designs and an Analysis of its Growth Capabilities.

4. В некоторых источниках говорится, что в ракете «Гарпун» использовался компьютер SP-0A, хотя в брошюре IBM утверждается, что в ракете был установлен SP-0B. Возможно, это апгрейд?

5. В одной статье IBM в обсуждение семейства IBM System/4 Pi включено множество других сигнальных процессоров. Эти специализированные системы выполняли десятки миллионов операций в секунду, что на порядки быстрее, чем современные им компьютеры общего назначения. Не уверен, классифицировались ли они как «реальные» системы System/4 Pi, поэтому вкратце опишу их в этом примечании.

   Advanced Signal Processor (AN/UYS-1 "Proteus") был крупной системой размером со шкаф, который обрабатывал сонарные сигналы во множестве летательных аппаратов, кораблей и подлодок ВМФ. Он имел до четырёх арифметических элементов с конвейерным умножителем и сумматором, а также генератор синусоидальных-косинусоидальных сигналов для FFT (быстрых преобразований Фурье), что позволяло ему выполнять до 60 миллионов операций в секунду. Подробнее об ASP можно прочитать в статье о схемах LSI.

   Создание ASP привело к разработке IBM 3838 Array Processor. IBM 3838 был подключён к мейнфрейму и выполнял векторные операции (сложение, умножение, FFT, тригонометрические операции и операции с многочленами). Он имел кодовое название «Gusher» («нефтяной фонтан»), потому что изначально предназначался для сейсмического анализа в нефтедобывающей отрасли, но его можно было использовать и в широком спектре областей, от моделирования погоды до численного моделирования плазмы.

   Третий упомянутый в статье процессор называется ARP, но я не смог найти никакой другой информации и даже того, как расшифровывается ARP.

   (Кстати, продолжу тему загадочных компьютеров System/4 Pi: IBM планировала опубликовать в 1972 году статью о компьютере FS-4, но без объяснений отозвала её; см. IBM Plugs, Unplugs a '4th Generation'.)

   В 1986 году IBM разработала сигнальный процессор Common Signal Processor: процессор на основе VLSI, ставший частью системы боевой авионики PAVE PILLAR передовых тактических истребителей.

6. Согласно брошюре 1971 года «System/4 Pi Command and Control (Model CC)», набор команд CC-1 «специально был разработан с целью оптимизации битовой эффективности команд в крупных задачах реального времени. Он включает в себя короткий формат (16-битный) команд register-to-storage, трёхадресные команды, несколько (четыре) набора регистров общего назначения, автоматический инкремент индексного регистра и программное прерывание CALL».

   Многие из этих особенностей схожи с теми, которыми AP-101 стал отличаться от System/360: у AP-101 были 16-битные команды register-to-storage, два набора регистров общего назначения, автоматический косвенный инкремент адреса и команда вызова стека.

7. IBM не расшифровывает аббревиатуру ML в названии компьютера ML-1. Он упоминается как «IBM's militarized LSI computer», поэтому предположу, что ML означает «militarized LSI».

8. IBM называла эти чипы ML-1 прозвищем «Dutchess», потому что они изготавливались на заводе IBM в Ист-Фишкилл округа Датчесс (Dutchess), штат Нью-Йорк. Более подробную информацию о чипах Dutchess можно найти на странице о IBM 5100 и в посте на alt.folklore.computers. Заявлялось, что каждый чип содержит 134 совместимых с TTL вентиля: 60 вентилей NAND с тремя вводами, 40 вентилей NAND с четырьмя вводами и 34 драйвера NOR с двумя вводами. Чипы имели в кремнии фиксированную структуру вентилей, которые можно было связывать, подстраиваясь под конкретное предназначение; IBM называла это «masterslice», но обычно это называется базовым матричным кристаллом. (Чипы не всегда могли использовать все доступные вентили, в среднем использовалось 110 вентилей.) Преимущество masterslice заключается в том, что его быстрее проектировать и дешевле производить, чем полностью специализированный чип.

   Спустя несколько лет в IBM System/38 применили биполярный masterslice, содержавший 704 вентиля, смонтированный в 116-контактном керамическом корпусе; он описан в Customized Metal Layers Vary Standard Gate-Array Chip. Более поздний чип masterslice IBM с 1300 вентилями на чип описан в A High-Density Bipolar Logic Masterslice for Small Systems.

9. Овего часто путают с Освего. Federal Systems Division компании IBM располагался в Освего, штат Нью-Йорк. Этот город находится в 160 километрах от Освего, штат Нью-Йорк, но все источники, от New York Times и NASA до EPA и самой IBM, путают Овего и Освего. В последнем находится Университет штата Нью-Йорк.

10. Многие из фотографий для этой статьи взяты из брошюры «IBM System/4 Pi and Advanced System/4 Pi Computers» за август 1973 года, где содержится подробная информация о многих из компьютеров семейства 4 Pi. В этом документе так много полезной информации, что я отсканировал и выложил его онлайн.