Название
Параметрон, 1954
Историческая справка
Параметрон — логический элемент на основе ферритовых колец и параметрического колебания — был изобретён в 1954 году Эйити Гото в Токийском университете. 4200 таких элементов легли в основу PC-1 — первой в Японии университетской ЭВМ с хранимой программой, которая в 1958 году стала самым быстрым компьютером страны. Низкая стоимость и электрическая стабильность параметрона определили ход раннего развития японской вычислительной техники и научных исследований, а также воспитали первое поколение японских компьютерных инженеров.
Историческая значимость работы
Эйити Гото: пионер технологии параметрона и ранних компьютеров
Эйити Гото (1931–2005), японский учёный, изобрёл параметрон в 1954 году, будучи аспирантом, и возглавил разработку PC-1 — первой полностью программируемой ЭВМ с хранимой программой на основе этой технологии в японском университете, завершённой в 1958 году. Его новшества дали толчок развитию послевоенной компьютерной индустрии Японии, усилив научные исследования и промышленные возможности страны в критический период технологического восстановления.
Изобретение параметрона
В 1954 году Эйити Гото изобрёл параметрон — логическое устройство, использующее нелинейное параметрическое колебание с двумя ферритовыми кольцами. В отличие от распространённых тогда ламповых и раннетранзисторных схем, параметрон обладал заметной стабильностью, требовал минимального обслуживания по сравнению с недолговечными лампами и стоил значительно дешевле как ламп, так и зарождавшихся транзисторов. Простота и надёжность сделали его удобной основой для конструирования вычислительных машин. Ранние применения показали превосходную отказоустойчивость параметрона по сравнению с конкурирующими технологиями — недолговечными лампами, медленными электромеханическими реле и нестабильными точечно-контактными транзисторами. Стремление построить электронную вычислительную машину в рамках ограниченного бюджета лаборатории Такахаси в Токийском университете подтолкнуло Гото и его наставника, профессора Такахаси, к тщательному поиску доступных решений; параметрон стал прорывом, заложившим важный фундамент для послевоенного развития вычислительной техники в Японии.
Разработка компьютера PC-1 на параметронах
В 1957 году Эйити Гото возглавил разработку PC-1 — первой полностью программируемой ЭВМ с хранимой программой, работавшей на 4200 параметронах. PC-1 начал работу 26 марта 1958 года.
PC-1 стал значительным шагом вперёд в послевоенной японской вычислительной технике: он превосходил появлявшиеся транзисторные системы по стабильности и получил тщательно продуманный набор команд, созданный на основе изучения таких машин, как EDSAC (см. «The Preparation of Programs for an Electronic Digital Computer», М. В. Уилкс и др., 1951) командой Гото, Такахаси и остальных сотрудников. Врождённая стабильность параметрона и его способность принимать несколько входных сигналов позволили строить надёжные и простые логические схемы — например, быструю арифметическую схему с механизмом выбора переноса, обрабатывающую распространение переноса за O(log N) логических шагов (где N — длина числа в битах), опираясь на логику большинства. В 1959 году на PC-1 реализовали функцию прерывания — одну из первых в своём роде, — обеспечившую многозадачность между основной программой и обработкой ввода-вывода. В отличие от сложных и требовавших постоянного обслуживания ламповых машин той эпохи (лампы имели относительно короткий срок службы по сравнению с другими компонентами, и для непрерывной работы приходилось заменять по несколько ламп в день), PC-1 достиг высокой надёжности при меньшем числе компонентов, низком энергопотреблении и исключительной отказоустойчивости, обеспечив устойчивую работу в условиях университетской лаборатории.
Фото 1. Эйити Гото и параметронный компьютер PC-1 (источник: Information Processing Society of Japan)
Фото 2. Эйити Гото настраивает блок памяти параметронного компьютера PC-1 (источник: Information Processing Society of Japan)
После начала работы в марте 1958 года PC-1 использовался множеством учёных и оказал глубокое влияние на японскую компьютерную индустрию и научное сообщество. Подробности о PC-1, особенно о программном обеспечении, изложены в материалах лекции Эйити Вады на памятном чтении, посвящённом параметрону, в 2008 году — к 50-летию запуска PC-1. Обзор библиотек и вычислений, выполнявшихся на PC-1, приведён в Приложении II оригинального документа.
Влияние технологии параметрона и достижений Гото
Доступность, минимальное обслуживание и стабильность параметрона быстро привлекли внимание японской промышленности после первого представления Гото на японской конференции. Коммерческие компании оперативно взяли технологию на вооружение, разрабатывая и продавая на её основе компьютеры и калькуляторы. Некоторые модели тогда продавались тиражом более 700 экземпляров.
В эпоху, когда лампы с их коротким сроком службы требовали постоянного обслуживания, а ранние транзисторы оказывались дорогими и ненадёжными, параметрон занял важную нишу, за что Гото получил престижную премию IRE Browder J. Thompson Memorial Prize в 1961 году — за основополагающую статью «The Parametron, a Digital Computing Element Which Utilizes Parametric Oscillation» (Proc. IRE, август 1959). Награда подчеркнула значительное влияние технологии на промышленность и академическую среду, закрепив за Гото репутацию визионера.
В Японии в 1959 году он получил престижную премию Асахи — за вклад в создание PC-1. Премия Асахи (朝日賞), учреждённая в 1929 году, присуждается газетой Asahi Shimbun и фондом Asahi Shimbun Foundation людям и группам, добившимся выдающихся достижений в искусстве и науке и внёсшим значительный вклад в развитие японской культуры и общества.
Заключение
Параметрон существенно повлиял на послевоенную компьютерную индустрию Японии, а его влияние распространилось и за рубеж — через патенты США (US Patent 2,948,818 и 2,948,819). Как единственный изобретатель, Гото изложил принципы работы параметрона в своей знаковой статье в IRE и возглавил команду лаборатории Такахаси в Токийском университете при создании PC-1.
Историческая значимость
Предыстория
Параметрон — логический элемент, использующий явление параметрического возбуждения через нелинейный магнитный отклик ферритовых колец. Он был изобретён в 1954 году Эйити Гото, тогда аспирантом физического факультета Токийского университета.
В начале 1950-х годов, когда компьютеры делали первые шаги, сборка триггера (flip-flop) в Японии стоила около 1000 иен на лампах и несколько тысяч иен на транзисторах. Точечно-контактные транзисторы того времени были ненадёжны и нестабильны. Первые транзисторы на p-n переходах, хотя и появились, работали медленнее точечно-контактных, поэтому, несмотря на нестабильность, для компьютеров использовались именно последние.
В лаборатории Такахаси Токийского университета, где учился Гото, интерес к вычислительным машинам был весьма живым. Изучались и вручную моделировались различные устройства — например, компьютер на основе поворотного переключателя от телефонной станции и десятичный компьютер на декатронных лампах.
Знания Гото в физике и прикладной математике оказались бесценны в этот период. Рассматривалось использование ферритовых колец, стоивших всего 5 иен за штуку, что привело к идее применения явления параметрического возбуждения. Отсюда и название элемента — параметрон.
Дешёвый ферритовый сердечник
До 1954 года лампа стоила 1000 иен, транзистор — 8000 иен. Ферритовое кольцо стоило лишь 5 иен. Гото упоминал эту разницу в цене в интервью для журнала (на японском). Ниже приведён перевод фрагмента интервью.
— Почему вы создали параметрон? В то время в Японии не было компьютеров.*1 Поэтому мы решили создать один в лаборатории Такахаси Токийского университета. Но бюджета университета на исследования не хватало. В то время лампа стоила 1000 иен, транзистор — 8000 иен. Кроме того, лампы быстро выходили из строя. Транзисторы тоже были ещё нестабильны. В сравнении с ними, ферритовые кольца, давно известные, например, по радиосхемам, стоили всего 5 иен за штуку. Так что я подумал: почему не использовать ферритовые кольца как материал? Ферритовые кольца — стабильный материал, и, поскольку они керамические, не ломаются, если сделать их правильно с первого раза. Название «параметрон» дано, потому что элемент использует принцип параметрического возбуждения. *1 Первый японский компьютер с хранимой программой на лампах был построен в 1956 году (FUJIC). https://museum.ipsj.or.jp/en/computer/dawn/0010.html Больше о FUJIC в Приложении V, посвящённом сравнению скорости. Первый японский компьютер с хранимой программой на транзисторах также был построен в 1956 году (ETL Mark III): https://museum.ipsj.or.jp/en/computer/dawn/0011.html UNIVAC 120 был первым коммерческим электронным компьютером, установленным в Японии в 1955 году: https://museum.ipsj.or.jp/heritage/UNIVAC120.html Так что, как и упоминал Гото, "электронных компьютеров в Японии не было" до 1954 года.
Типичный параметронный логический элемент использовал три кольца (одно крупное кольцо добавлялось для объединения сигналов от нескольких источников), конденсатор и резистор. Три таких блока объединялись, чтобы передать логический сигнал следующему параметронному элементу. Такая комбинация всё равно НЕ доходила по цене до одной-единственной лампы, а ламповой схеме требовались ещё и конденсаторы с резисторами. Разница между 1000 иенами и 5 иенами за основной компонент — огромна.
Такахаси вспоминал, что собранный параметронный элемент продавался по 500 иен. По его словам, аналогичное логическое устройство на лампах стоило бы более 10 000 иен, а аналог на транзисторах был бы вовсе неподъёмен для университетской лаборатории.
Лампы и транзисторы были дороги, а ферритовые кольца — дёшевы как грязь: так это виделось Гото и его коллегам.
Структура и принцип работы параметрона
Два кольцевых ферритовых сердечника обматывались проводом с одинаковым числом витков. Требовалось именно два кольца. Направления обмотки в двух кольцах были противоположны — для возбуждающего тока и тока колебаний. Это изолирует первичную и вторичную части схемы: например, компенсирует постоянное смещение, меняющее магнитные свойства кольца. Из-за встречной обмотки постоянный ток не проникает в колебательную часть.
Примечание: обратную обмотку сложно заметить на схемах при беглом взгляде, но на всех приведённых иллюстрациях авторы пытаются подчеркнуть эту деталь визуально — впрочем, её всё равно легко упустить.
Рисунок 1. Параметрон (источник: Information Processing Society of Japan)
Подпись: кольца видны на толстых вертикальных проводах слева и справа (внешний провод возбуждающего тока), тонкие провода — сигнальные.
Когда резонансная частота схемы, состоящей из ферритовых колец и параллельно подключённых конденсаторов, равна f/2, к ферритовому кольцу подаётся внешнее колебание частотой f. Кольца соединялись последовательно, к ним подключался один конденсатор, образуя резонансную схему. Провод возбуждения проходил через отверстие кольца, и при протекании через него переменного тока (точнее, комбинации постоянного тока, меняющего индуктивность кольца, и переменного тока) магнитные свойства ферритового кольца заставляли резонансную схему колебаться за счёт параметрического возбуждения. В большинстве схем и диаграмм в исходном документе для постоянного и переменного тока используется один и тот же провод, хотя возможны и раздельные провода. Колебание на половине частоты исходного внешнего возбуждения усиливается и наблюдается на выходе.
В параметроне Гото информация хранится за счёт соотнесения логических состояний 0 и 1 с разностью фазы наведённого колебания. Существуют два режима колебаний с фазой, отличающейся ровно на π (поэтому параметрон изначально способен хранить бит информации).
Параметрическое колебание встречается во многих системах. Например, чтобы раскачать качели в парке, используется параметрическое колебание. Длина цепи или веревки, на которой висит сиденье качелей — точнее, расстояние между центром массы тела и сиденья и горизонтальной перекладиной, к которой подвешены качели — это параметр колебания. Двигая тело вверх и вниз, можно менять это расстояние, а значит, и параметр колебания. Двигаясь вверх-вниз один раз за один взмах качелей в одну сторону (то есть два раза за полный цикл вперёд-назад), можно возбудить собственную частоту качелей. Частота возбуждения (движения тела) вдвое выше частоты качания.
[Примечание] Спичка на фото добавлена для сравнения размеров.
Фото 3. Параметрон в компьютере PC-1 (источник: Information Processing Society of Japan)
Помимо стабилизации в двух чётко различимых состояниях, параметрон обладает эффектом усиления, при котором разница исходных сигналов во время возбуждения определяет итоговый результат по фазе. Это используется для логических операций на основе логики большинства.
Выходы одного параметрона, поступающие на другой, где запускается новое колебание, могут определить состояние 0/1 (разность фаз в итоговом устойчивом колебании) по правилу большинства — то есть аналоговым сложением сигналов. Поскольку параметрон использует фазу колебания для различения цифровых значений 0/1, на нём можно выполнять логические операции, называемые «логикой большинства». Гото и коллеги разработали полную теорию такой логики на основе параметрона для проектирования логических схем.
Хотя параметрон создавался теоретическими и экспериментальными усилиями, большой удачей стало то, что самые первые ферритовые кольца, использованные в первом эксперименте с параметроном, были медно-цинковыми — разработанными Ёгоро Като и Такэси Такеи. Впоследствии выяснилось, что этот состав оказался наиболее подходящим для параметронов среди доступных на тот момент ферритовых материалов. Хотя марганцево-цинковый и никель-цинковый феррит превосходят его в других применениях, для параметронов лучше всего подходил именно медно-цинковый феррит.
Для массового применения в вычислительных машинах предпочтительны были кольца меньшего размера — для снижения энергопотребления, что подтолкнуло компанию Tokyo Denki Kagaku (сегодняшняя TDK Corporation) к производству колец диаметром 4 мм. Позже в PC-2 использовался «бинокулярный» тип сердечника, спроектированный специально для параметронов.
Диаграмма: параметрон в форме бинокля отмечен красным прямоугольником. 4-мм кольцо было стандартным параметроном изначально. 2-мм кольцо использовалось для памяти.
Цитата со стр. 88 работы Дзиро Футами и Рюдзи Сиодзавы, "Parametron", Hitachi Review, февраль 1960, том 34, стр. 88, рис. 1 и 2.
Схема параметрона
Параметроны — это цифровые логические схемы, использующие нелинейные свойства электрической цепи. Их применяли для построения логических схем. Их отличает высокая отказоустойчивость и низкое энергопотребление по сравнению с лампами.
Базовая структура и работа параметрона
Параметроны обычно проектируются как двухполюсные элементы и в основном состоят из конденсаторов и трансформаторов (также присутствует резистор).
Эти элементы переключаются между разными «фазовыми состояниями»: внутреннее состояние меняется в ответ на внешний управляющий сигнал (входной сигнал). Амплитуда и фаза исходных входных сигналов, складываемых аналоговым способом по правилу большинства, определяют, в каком из двух устойчивых состояний (0 и 1), различающихся фазовым сдвигом ровно на π, окажется параметрон — и это можно использовать для логических операций.
Параметронная схема обладает следующими характеристиками:
(а) Нелинейная работа: параметроны реагируют на внешние входные сигналы нелинейно (сумма исходных входных сигналов определяет фазу усиленного наведённого параметрического колебания). Это свойство делает возможным их применение в схемах логики большинства.
(б) Стабильность: параметроны хорошо устойчивы к внешним помехам и нестабильным сигналам, обеспечивая высокую отказоустойчивость.
(в) Низкое энергопотребление: параметроны потребляют очень мало энергии во время работы, что делало их особенно привлекательными в электронных схемах на заре вычислительной техники (это низкое потребление энергии относительно прожорливых ламп того времени; по сравнению с современными энергоэффективными устройствами параметрон потреблял значительно больше, особенно на высоких скоростях).
Счётная схема на параметронах
Как прототип будущего компьютера, на параметронах была создана простая счётная схема.
При создании счётной схемы на параметронах ключевыми были следующие особенности:
(а) Сами счётные схемы: параметронная счётная схема объединяет несколько элементов для реализации счёта.
(б) Построение цифровых логических схем: параметроны могут служить базовыми логическими вентилями (например, И, ИЛИ, НЕ), которые комбинируются для создания более сложных вычислительных схем — сумматоров и умножителей. Важно понимать, что параметрон работает по логике большинства, а не по простой булевой алгебре (изначальная неспособность использовать булеву алгебру создавала небольшие трудности при проектировании логики). Логика большинства способна имитировать булеву логику, поэтому на ней можно построить любую сложную логическую схему. Более того, иногда логика большинства значительно упрощает схему: например, быстрый арифметический блок, обрабатывающий распространение переноса, эффективно использовал именно эту особенность.
Успех счётной машины на параметронах вдохновил сотрудников лаборатории Такахаси, и началось строительство полностью программируемого компьютера с хранимой программой — PC-1.
Рождение параметронного компьютера: PC-1
PC-1 (Parametron Computer No.1) — полностью программируемый компьютер с хранимой программой для научных расчётов, собранный в лаборатории Такахаси физического факультета Токийского университета. С использованием в общей сложности 4200 параметронов сборка началась в сентябре 1957 года, а первый расчёт был выполнен 26 марта 1958 года.
Примечание: компьютер с хранимой программой на параметронах был создан в лаборатории Мусасино компании NTT ещё в марте 1957 года — на год раньше PC-1. Он назывался MUSASINO-1 и изначально имел только 32 слова памяти, поскольку устройство памяти для него запоздало. 32 слов было недостаточно для разработки значимого программного обеспечения. Память расширили до 256 слов через год, примерно тогда же, когда PC-1 начал полноценную работу. MUSASINO-1 был кустарным прототипом и часто выходил из строя, что создавало серьёзную нагрузку по обслуживанию. Его использовали только внутри NTT — в отличие от PC-1, который широко применялся исследователями внутри и за пределами Токийского университета. Поэтому MUSASINO-1 не оказал заметного влияния за пределами NTT, тогда как PC-1 сильно повлиял на японскую компьютерную сферу.
Фото 4. Параметронный компьютер PC-1 (источник: Information Processing Society of Japan)
[Примечание] Доктор Эйити Гото (слева) и профессор Хидетоси Такахаси (справа) перед компьютером PC-1
Фото 5. Сумматор на параметронах (источник: Information Processing Society of Japan). По устному свидетельству Эйити Вады, прочитавшего лекцию на церемонии открытия памятной доски 27 ноября 2025 года, устройство было построено самим Эйити Гото как прототип для создания PC-1.
[Примечание] Лампа на фото добавлена для сравнения размеров.
Впоследствии были добавлены схемы умножения и деления, а также сделаны точные настройки различных узлов. Материалы — параметроны, возбудители (схемы, добавляющие внешнее колебание к параметронам) и устройства ввода-вывода — брали у следующих компаний:
— Toyo Soda Industries,
— International Telegraph and Telephone Company (сегодняшняя KDDI),
— Parametron Research Institute,
— Japan Electronics Instruments и другие.
Измерительные приборы брали у Telecommunications Research Laboratory при Nippon Telegraph and Telephone Public Corporation, часть техники закупили за счёт научного гранта Асахи.
Такие меры были необходимы из-за скудного финансирования университетской лаборатории в то время.
На сборку компьютера потребовалось около 300 человеко-дней; параметронную схему монтировал специалист по монтажу реле из Fuji Tsushinki (сегодняшняя FUJITSU). Сборкой и настройкой устройства памяти на магнитных сердечниках занимался персонал Tokyo Denki Kagaku (сегодняшняя TDK Corporation).
Параметроны, использованные в PC-1, относились к раннему типу — производились в разное время и имели неоднородные характеристики. Несмотря на сложность ручной сборки всех схем в университетской лаборатории, в 1958 году серьёзных сбоев не было, за исключением проблем с возбудителем и ламповым устройством ввода-вывода.
Устройство памяти на переменном токе оказалось на удивление стабильным и надёжным по сравнению с аналогами. Одной из причин стало то, что, несмотря на использование в общей сложности 41 лампы, основная система памяти применяла код с исправлением ошибок, обеспечивая работоспособность даже при отказе одной лампы.
Характеристики производительности PC-1 приведены в таблице ниже. Компьютер использовал внутреннее двоичное представление чисел (в то время встречались транзисторные компьютеры, всё ещё работавшие внутри с десятичным представлением). PC-1 был полностью программируемой ЭВМ с хранимой программой, поддерживающей только арифметику с фиксированной точкой.
Широкое применение в науке и обучении
В 1958 году PC-1 был самым быстрым компьютером в Японии.*1 Это была единственная электронная вычислительная машина, доступная исследователям Токийского университета, поэтому её активно использовали как местные учёные, так и специалисты из других университетов.
*1: Самым быстрым японским компьютером по скорости сложения и умножения к марту 1958 года (когда PC-1 начал работу) формально был FUJIC, разработанный на лампах компанией Fuji Photo Film в 1956 году. Он выполнял сложение и умножение быстрее, чем PC-1. Однако FUJIC оказался недолговечен. Когда Такахаси, Гото и коллеги писали "(PC-1) на данный момент самый быстрый компьютер в Японии..." (сентябрь 1958 года), FUJIC уже был законсервирован для передачи в дар университету Васэда в сентябре того же года и не работал. У FUJIC были серьёзные проблемы с обслуживанием: ежедневно требовалось заменять 2-3 лампы — типичная нагрузка для ламповых компьютеров той эпохи (замена ламп была недешёвым делом). Fuji Photo Film использовала FUJIC для проектирования оптических линз; после отказа от собственного производства линз машину передали дочерней компании, а затем университету Васэда. Так что PC-1 действительно был самым быстрым ДЕЙСТВУЮЩИМ компьютером Японии на тот момент.
В 1958 году PC-1 работал по 9–12 часов в день: 5 часов уходило на различные численные расчёты для физического факультета Токийского университета, оставшееся время — на исследования по программированию в лаборатории Такахаси. С октября 1958 года около 10 часов в неделю выделялось на практическое обучение студентов.
Учитывая, что обслуживанием PC-1 занимались аспиранты лаборатории Такахаси, способность машины работать почти половину суток каждый день была впечатляющим показателем стабильности цифровой схемы на параметронах.
Помимо использования параметронов, PC-1 обладал следующими характеристиками (PC-2, построенный в 1960 году, стал его преемником).
Таблица 1. Характеристики PC-1 и PC-2
Характеристики PC-2 (построенного в итоге в 1960 году) в таблице соответствуют первоначальному проектному плану, составленному в 1958 году.
Высокоскоростная память: память на магнитных сердечниках с переменным током
Для PC-1 применялось устройство памяти на магнитных сердечниках с переменным (AC) током — метод, изобретённый в лаборатории Такахаси. Переменный ток означал использование AC-сигнала для считывания данных, хранящихся в сердечнике как направление магнитизации. Это был неразрушающий метод считывания, в отличие от распространённого в остальном мире разрушающего метода на постоянном токе.
Считывание переменным током делало выходной сигнал памяти удобным для подачи на вход параметрона, поскольку он представлял собой колебательный сигнал, «дружественный» параметрону, в отличие от считывания на постоянном токе.
Благодаря помощи TDK в поиске подходящего магнитного материала и применению схемы адресной выборки с коррекцией ошибок в реальном времени, устройство достигло исключительной стабильности и надёжности. Оно было относительно компактным и было представлено на симпозиуме по устройствам памяти электронных вычислительных машин осенью 1957 года и на ежегодном собрании четырёх электротехнических обществ Японии в мае 1958 года.
Арифметическая схема
Арифметическая схема использовала быструю схему распространения переноса, обрабатывающую перенос отдельно. По сути это была схема с опережающим переносом в современной терминологии (возможно, точнее назвать её схемой выбора переноса, обрабатывающей переносы за O(log N) логических шагов, где N — длина числа в битах, — теоретически оптимальный вариант). Тогда существовали различные подходы, и активно шли исследования. Гото и коллеги предложили собственную реализацию. Логика обработки переноса (селектор переноса) в PC-1 использовала логику большинства параметрона, что позволяло реализовать эту схему эффективнее, чем на простой булевой логике. Некоторые параметронные элементы в ней принимали пять входов. Требовался тщательный подбор ферритовых колец параметронов, формировавших сигналы для пятивходового элемента, чтобы логика большинства работала предсказуемо за счёт настройки уровней входных сигналов.
Кроме того, применялась система управления, одновременно обслуживающая текущие вычисления и следующие за ними — по сути, конвейеризация с очень небольшой глубиной, равной двум ступеням. Это повышало скорость вычислений параметронного компьютера в 2–3 раза по сравнению с системами без такого подхода, без значительного увеличения числа параметронов. В 1958 году конвейеризацию и другие методы параллельной обработки исследовали во многих странах, и их можно было применить к электронным вычислительным машинам на любых логических элементах, не только на параметронах.
Прерывание
Позже, в 1959 году, в PC-1 установили схему прерывания: событие от подключённого устройства чтения перфоленты «прерывало» выполнение текущей инструкции. При этом дальнейшие прерывания блокировались триггером, адрес следующей инструкции сохранялся в ячейке 510, и вызывался предустановленный обработчик прерывания, чей адрес хранился в ячейке 511 (управление переходило на адрес, записанный в 511). Триггер, блокирующий дальнейшие прерывания, сбрасывался при выходе из обработчика. Таким образом можно было обрабатывать ожидающий ввод от считывателя перфоленты — например, помещать его в кольцевой буфер, доступный и основной программе, и обработчику прерывания. По сути, это была операция, позже названная многозадачностью. PC-1 стал одним из первых компьютеров, реализовавших многозадачность через прерывания.
План создания PC-2
В 1958 году Гото и коллеги начали планировать создание более мощной машины на основе опыта и результатов PC-1. Машину назвали PC-2. Хотя методы вычислений и хранения данных в PC-2 существенно не отличались от PC-1, план предусматривал увеличение объёма памяти (см. таблицу 1), высокоскоростное устройство ввода-вывода, а также добавление блока вычислений с плавающей точкой и механизма трансляции адресов.
На этот раз сборку целиком передали внешней компании.
PC-2 был завершён в 1960 году: при финансировании Министерства образования его совместно разработали с Fujitsu. Позже машина была коммерциализирована как FACOM 202.
PC-2 доставили в лабораторию Такахаси, где он продолжил традицию PC-1 — широкое использование учёными со всей Японии.
Коммерческая версия PC-2, FACOM 202, была поставлена в Институт физики твёрдого тела Токийского университета и компании TOYOTA. В институте машину использовали для расчёта зонной энергии твёрдых тел, что способствовало исследованиям мирового уровня.
PC-1 прекрасно проявил себя как исследовательская платформа для параметрона. В итоге его разобрали, когда его блок питания одолжили для выставки, организованной студентами-физиками в рамках ежегодного дня открытых дверей Токийского университета в мае 1964 года.
Историческое влияние параметрона на компьютеры и другие сферы
Возможность строить компьютеры со значительно меньшим числом ламп и транзисторов привела к созданию множества параметронных компьютеров в Японии того времени. По сравнению с релейными системами параметроны работали быстрее и не имели механических контактов — источника большинства отказов, — что давало значительное преимущество.
Несмотря на относительно короткий период успеха, эти компьютеры продавались в больших количествах. Подробный список коммерческих параметронных машин приведён в Приложении I оригинального документа — их было много. Одна из моделей стала бестселлером своего времени, продавшись тиражом более 800 экземпляров.
В 1959 году, когда вышла основополагающая статья Гото («The Parametron, a Digital Computing Element Which Utilizes Parametric Oscillation», Proceedings of the IRE, том 47, выпуск 8, стр. 1304–1316, август 1959), он писал следующее:
В 1954 году автор обнаружил, что явление, называемое параметрическим колебанием, известное уже много лет, можно использовать для выполнения логических операций и функций памяти, и дал новому цифровому компоненту, построенному на этом принципе, название «параметрон».
Цифровая вычислительная схема, построенная из параметронов, может состоять только из конденсаторов, катушек с ферритовым сердечником и резисторов, без диодов и выпрямителей. Поэтому параметрон считается крайне надёжным, стабильным, долговечным и дешёвым. Благодаря этим преимуществам в нескольких японских лабораториях начались интенсивные исследования по применению параметронов в различных цифровых системах. НА ДАННЫЙ МОМЕНТ ПОЧТИ ПОЛОВИНА ДЕЙСТВУЮЩИХ ЯПОНСКИХ ЭЛЕКТРОННЫХ КОМПЬЮТЕРОВ ИСПОЛЬЗУЕТ ПАРАМЕТРОНЫ КАК ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ. Дальнейшие применения нашли себя в таких устройствах, как телеграфное оборудование, системы телефонной коммутации и числовое управление станками.
Однако быстрый рост производительности плоскостных транзисторов, вскоре ставших мейнстримом, обогнал параметроны по рабочей частоте. Транзисторы имели более широкое применение — например, в радиотехнике и аналоговых схемах, тогда как параметроны использовались исключительно как логические элементы. Поэтому инвестиции в разработку транзисторов значительно превышали вложения в параметрон. К середине 1960-х годов параметроны были почти полностью вытеснены транзисторами и вышли из употребления.
Применение параметрона за пределами компьютеров
Помимо вычислительных машин, на параметронах строили и другие цифровые устройства.
— KDDI (её предшественник, KDD) построила устройство для преобразования кода Морзе в код телетайпа на параметронах. Этот преобразователь использовался для передачи новостных сообщений с Олимпийских игр в Мельбурне в 1956 году и работал безукоризненно, без единого сбоя. Устройство было создано менее чем через два года после изобретения параметрона.
Успех преобразователя побудил KDDI создать и другие устройства — регенеративный повторитель для дальней связи (для восстановления формы принятого сигнала перед ретрансляцией) и автоматическое устройство повторного запроса (ARQ) для исправления ошибок в телексной связи. Разработанное на параметронах ARQ-устройство стало первым в мире электронным ARQ-устройством, и множество таких блоков было экспортировано. Так параметроны применялись за пределами Японии, хотя пользователи об этом не подозревали. Первое ARQ-устройство на параметронах создали в 1956 году — всего через два года после изобретения элемента. Есть документальное подтверждение, что оно всё ещё использовалось KDDI по меньшей мере в 1977 году — спустя более двадцати лет с момента создания, что демонстрирует долговечность параметронных устройств.
— На параметронах также строили устройства числового управления станками для точного позиционирования режущего инструмента при создании нужных форм. До этого станки имитировали нужное движение с помощью криволинейных шаблонов, изготовление которых занимало много времени и не давало достаточной точности, например, для аэрокосмической промышленности. Числовое управление станками, впервые разработанное и популяризированное исследователями MIT, было горячей темой в 1950-х и начале 1960-х годов. В Японии такие устройства также исследовались и создавались: Hitachi совместно с исследователями государственного Агентства промышленной науки и технологий создала подобное устройство в 1956 году. Однако позднее в серийных устройствах уже применялись транзисторы и германий, а не параметроны.
Fujitsu также разработала блок числового управления на параметронах в 1956 году как прототип для последующего внедрения, но серийные модели, как и в случае Hitachi, параметроны не использовали.
Ландшафт технологий менялся очень быстро около 1960 года.
— Ещё одним необычным применением было обнаружение расстояния между автомобилями для предотвращения столкновений. Проволочные петли, работавшие как часть параметрического колебания, закладывались под дорожное покрытие. Когда автомобиль приближался к петле, изменялась потеря высокочастотного отклика, что фиксировалось по изменению интенсивности параметрического колебания — так измерялось расстояние между машинами (по сути это тот же принцип, что применяется сегодня для определения положения автомобилей, хотя сейчас никто не называет это параметроном, хоть электромагнитный принцип остался тем же). К сожалению, подробной информации об этом применении в 1950-х и 1960-х годах в открытом доступе почти не осталось.
Некоторые из разработанных устройств применялись до середины 1970-х годов, и, по сохранившимся в государственных архивах данным, параметронное ARQ-устройство KDDI действительно оставалось в эксплуатации в 1977 году.
Воспитание нового поколения компьютерных инженеров и пользователей
Влияние параметрона проявилось и в подготовке кадров и научных вычислениях благодаря компьютеру PC-1. Среди первых пользователей PC-1 — компьютера с хранимой программой на параметронах в Токийском университете — выросло множество будущих специалистов в области вычислительной техники. Многие из них были аспирантами этого и других университетов. Также немало исследователей создавали библиотеки научных вычислительных подпрограмм.
Сведений о ранних днях эксплуатации PC-1 сохранилось немного, но есть запись о семинаре по программированию, организованном Японским физическим обществом в 1959 году — возможно, одном из первых подобных учебных семинаров по компьютерам в Японии, согласно Такахаси. Семинар был построен вокруг написания программ для PC-1.
Расписание семинара 1959 года. Цитата из "TOYOTA and parametron electronic computer FACOM 202", Ёсихиро Исибаси, доступно онлайн: https://www.toyotariken.jp/_/media/page/about/research-report/pdf/Toyota-Report_No.77_62.pdf
Семинар проходил с 31 августа по 7 сентября 1959 года. Ниже приведены переведённые названия и авторы лекций (оригинальная программа отсканирована и доступна в виде OCR-версии в материалах IIJLAB 2008, «Parametron computer PC-1 1958-2008» юбилейного комитета PC-1, на японском языке, https://www.iijlab.net/~ew/pc1/pc150th.pdf).
Это показывает влияние, которое PC-1 оказал на японскую академическую среду — в данном случае на физические науки.
Введение в электронные вычисления — Хидетоси Такахаси
Арифметические команды параметронного компьютера PC-1 — Эйити Гото
Опыт использования электронных калькуляторов — Такэхико Симаноути
Применение в геометрической оптике и др. — Бундзи Окадзаки
Применение в анализе кристаллов — Ёсио Такэути
Численный анализ для компьютеров I (линейные вычисления) — Сигеити Моригути
Численный анализ для компьютеров II (численное интегрирование и дифференциальные уравнения) — Аяо Амемия и Масатака Арияма
Как составлять программы (блок-схемы и примеры) — Ёсихиро Исибаси
Применение в метеорологии — Кикуро Мияакода
Применение в механике жидкости — Исао Имаи
Как программировать (использование подпрограмм) — Такаси Сома
Как составлять программы (изготовление перфолент с R0 R1) — Кэйскэ Накагава
Электронные вычисления в университетах I — Ёнэдзо Морино
Электронные вычисления в университетах II — Мицуро Омори и Сигэтоси Катсура
Метод Монте-Карло — Ёити Фудзимото и Эйити Гото
Применение в квантовой механике — Масао Котани
Применение в исследовании операций и теории управления — Ко Хосака
Как находить ошибки в программах — Эйити Вада
Будущие компьютеры и программирование — Хидетоси Такахаси
Панельная дискуссия "Текущее состояние и будущее компьютеров"
Председатель: Такахико Ямамоути
Участники: Такаси Исобэ (Токийский университет), Ко Хосака
(Исследовательский институт японских национальных железных дорог),
Хидетоси Такахаси (Токийский университет), Сигэити Моригути (Токийский университет), Масао Котани (Токийский университет), Хироси Вада (Электротехническая лаборатория, ETL), Дзэнъити Кияcу (NTT), Такэси Каяно (NTT)
Многие имена из списка лекторов позже занимали важные позиции в компьютерной индустрии Японии или в академической среде — как в программной, так и в аппаратной сфере, а также в физических науках и инженерии. Наследие PC-1 продолжало жить и после того, как параметрон вышел из употребления.
Отражение в популярной культуре
Когда многие представители первого поколения компьютерной индустрии и науки в Японии получили первый опыт программирования на параметронных компьютерах, это оставило заметный след в образовании — свидетельство тому число параметронных компьютеров, до сих пор выставленных во многих образовательных и научных учреждениях Японии.
Параметрон также оставил след в памяти ранних инженеров-электронщиков — своего рода городскую легенду. Поэтому он даже появился в очень популярной манге.
«Dr. Stone» — очень популярная японская манга (превращённая также в аниме) общим тиражом более 18 миллионов экземпляров. Сюжет фантастический: некая таинственная катастрофа обратила всех людей в камень, и спустя несколько тысяч лет один из них каким-то образом воскрес и вместе с найденными соратниками попытался восстановить человеческую цивилизацию.
По ходу сюжета герои сталкивались с необходимостью воссоздать множество привычных в быту вещей. Во время планирования городской инфраструктуры персонажи захотели получить калькулятор и компьютер. Лампы были далеко за пределами их производственных возможностей, не говоря уже о полупроводниках, требующих очищенных кристаллов (по сюжету полупроводники появятся лет через десять, а калькулятор нужен прямо сейчас).
И тут на помощь приходит параметрон! Ферритовые кольца можно изготовить, нагревая и прессуя металлический порошок. Поэтому в манге для создания компьютеров и калькуляторов планируют изготовить 200 тысяч параметронных сердечников таким кустарным способом.
Иллюстрация из 206-го выпуска «Dr. Stone» (август 2021).
В левом верхнем углу — увеличенное изображение ферритового кольца. Кольцо изготавливается путём обжига металлического порошка, показанного в левом нижнем углу.
Идея параметрической логики, лежащая в основе параметрона, остаётся жизнеспособной и в XXI веке — в виде адиабатического квантово-потокового параметрона (AQFP), что делает эту иллюстрацию удачным способом познакомить сегодняшнюю молодёжь с историей параметрона.
Препятствия, которые пришлось преодолеть
Параметрон, изобретённый доктором Эйити Гото в 1954 году, признан значимым этапом в истории логических устройств для электронных вычислений. На пути к успеху эта пионерская технология столкнулась с многочисленными препятствиями — техническими, политическими и географическими.
Технические препятствия
Ограничения материалов
В начале 1950-х годов ассортимент материалов для электронных компонентов был ограничен. Параметрон, основанный на параметрическом возбуждении нелинейной индуктивности для переключения, требовал качественных катушек индуктивности и конденсаторов. Дефицит качественных материалов и ограничения производственных технологий создавали серьёзные трудности. Достижение необходимой точности и надёжности при изготовлении компонентов было существенным препятствием.
Как позже отмечал сам Гото, ему повезло сразу выбрать подходящий ферритовый материал для ключевой части устройства — сердечника. Он использовал в первом эксперименте кольцо, очень удачно подходившее для параметрона. Если бы он выбрал иной материал, поиск подходящего варианта мог затянуться на пару лет, и тогда шанс заполнить нишу между лампой и транзистором надёжным параметронным устройством был бы упущен.
Сложность проектирования
Первоначальная физическая конструкция параметрона была сложной и требовала глубокого понимания нелинейной динамики и явлений резонанса. Гото анализировал параметрическое колебание, моделируя возбуждение с помощью так называемого дифференциального уравнения Матьё. Эта сложность делала проектирование и сборку практических параметронных схем непростой задачей. Исследователям приходилось преодолевать трудности проектирования схем, сохраняющих стабильность и надёжность при разных условиях работы.
Но после того как физическая схема была спроектирована правильно, с верно выбранным материалом, параметроны работали очень надёжно.
Именно поэтому университетская ЭВМ с хранимой программой, PC-1, работала настолько успешно без выделенного оператора. Серьёзные сбои случались нечасто, а аспиранты и сотрудники лаборатории помогали внешним исследователям запускать длительные вычисления. Программы могли работать на PC-1 несколько часов без присмотра — само по себе достижение для того времени.
Другой ключевой сложностью проектирования параметрона была зависимость от логики большинства, которая существенно отличалась от бинарной булевой логики, преобладавшей в электронных схемах тогда и сегодня. Булева алгебра, рассчитанная на операции И, ИЛИ, НЕ, не подходила для схем логики большинства.
Чтобы решить эту проблему, Гото и Такахаси разработали новый подход к логике большинства для схем на параметронах. Сначала они предложили графическое представление, наглядно показывающее взаимодействие элементов логики большинства в параметронных схемах.
Схема: представление логики большинства на параметронах.
Круг обозначает один параметронный элемент. Он может принимать несколько входных сигналов. Знак +/- внутри круга обозначает входной сигнал, постоянно установленный либо в 1 (+), либо в 0 (-). Черта на линии соединения обозначает инверсию. В параметроне для инверсии не требуется отдельный логический элемент — достаточно поменять направление обмотки провода через ферритовое кольцо.
Верхний левый пример — булева операция И: поскольку присутствует постоянный вход 0 (символ «-» в круге), выход 1 получается по правилу большинства только тогда, когда оба других входа равны 1.
Пример посередине слева — булева операция ИЛИ: поскольку присутствует постоянный вход 1 (символ «+»), если хотя бы один из входов x или y равен 1, правило большинства даёт на выходе 1.
Нижний правый пример — полный сумматор. x — перенос от сложения младших разрядов. Схема формирует сумму 's' из x, y и z, а также перенос 'c', который передаётся в вычисление следующего, более старшего разряда.
Далее Гото и Такахаси систематически проанализировали все возможные конфигурации логики большинства с четырьмя входами, оптимизируя схемы для получения нужных результатов.
Их прорывом стала классификация схем логики большинства по классам самодуальной эквивалентности, объединяющая эквивалентные функции для снижения сложности проектирования (см. «Some Theorems Useful in Threshold Logic for Enumerating Boolean Functions», Э. Гото, Х. Такахаси, IFIP Congress, 1962; а также «Classification of Ternary Logic Functions by Self-Dual Equivalence Classes», Т. Сома, 41st IEEE International Symposium on Multiple-Valued Logic, 2011 — расширение параметрона на трёхзначную логику с тремя разными фазами вместо двух).
Эта классификация дала важные ориентиры для проектирования логических схем на параметронах и других пороговых логических устройствах. Она остаётся актуальной и сегодня, обеспечивая эффективные разработки для квантово-потокового параметрона (QFP) и его адиабатической версии AQFP, которые привлекают значительное внимание в наши дни.
Управление тепловым режимом
Работа параметрона на высокой скорости сопровождалась значительным рассеянием энергии, что вызывало проблемы с нагревом. Эффективное управление тепловым режимом было критически важно для долговечности и надёжности параметронных схем. Проектирование механизмов охлаждения и оптимизация теплового режима компонентов были серьёзными техническими задачами.
В случае с PC-1 скорость работы не доводили до предела, поэтому эта машина, использующая около 4200 параметронов, не страдала от катастрофического перегрева, хотя активного охлаждения (кроме вентиляторов) у неё не было.
По воспоминаниям Кэйскэ Накагавы (в материалах «Parametron computer PC-1 1958-2008» юбилейного комитета PC-1, на японском языке, https://www.iijlab.net/~ew/pc1/pc150th.pdf), аспиранта лаборатории Такахаси, где размещался PC-1, компьютер использовался следующим образом:
PC-1 стали использовать исследователи физического факультета для своих задач. Машинное время предоставлялось даже в ночные часы. Несмотря на скромный объём памяти в 512 слов (по 18 бит каждое), PC-1 позволял учёным выполнять расчёты в самых разных областях. Компьютер работал в помещении без специального кондиционера: летом открывали окна, зимой окна закрывали, а помещение обогревалось паровым отоплением. Но PC-1 продолжал работать, демонстрируя всему миру стабильность параметрона. Если же машина начинала капризничать, дежурные аспиранты выполняли заранее известные шаги восстановления, и PC-1 снова начинал работать.
Накагава в то время был аспирантом.
Интеграция с существующими технологиями
Параметрон был новой технологией, которую нужно было интегрировать с существующими вычислительными системами и периферией. Обеспечение совместимости с инфраструктурой того времени — устройствами ввода-вывода и системами памяти — требовало нестандартных решений. Исследователям нужно было преодолеть разрыв между новой технологией и уже сложившимся ландшафтом электронных вычислений.
Это типичные проблемы, с которыми сталкивается любая новая технология логических элементов, — не специфическая трудность именно параметрона.
Компьютер PC-1, построенный на параметронах, подключался к считывателю перфоленты и телетайпному устройству, поэтому интерфейсы для простых устройств ввода-вывода существовали.
Основную память разработали специально для PC-1 — систему на магнитных сердечниках с приводом переменного тока, выдающую сигнал (1/0) в виде колебания, крайне удобного для непосредственной подачи на вход параметрона.
Миниатюризация
Ранние электронные компоненты были громоздкими, и миниатюризация параметронных схем была непростой задачей. Уменьшение размера параметрона при сохранении функциональности и производительности требовало прогресса в проектировании и производстве компонентов. Такая миниатюризация была необходима для коммерческой жизнеспособности параметрона и его практического применения.
Бинокулярный тип сердечника параметрона, упомянутый ранее, стал попыткой начать этот путь миниатюризации.
Тем не менее, в долгосрочной перспективе у ферритового параметрона не было шансов конкурировать с транзистором в гонке миниатюризации.
Однако позже, в 1990-х годах, миниатюрные сверхпроводниковые устройства воспроизвели параметрон-подобное поведение, и сегодня это горячая тема — низкое энергопотребление AQFP привлекает внимание в контексте задач устойчивого развития.
Политические препятствия
Эпоха холодной войны: развитие параметрона происходило во время холодной войны — периода острой геополитической напряжённости между Восточным и Западным блоками. Этот политический климат влиял на приоритеты исследований и распределение финансирования. Получение поддержки и ресурсов для исследований параметрона в Японии, восстанавливавшей экономику и технологический сектор после Второй мировой войны, было серьёзным вызовом.
Финансирование и ресурсы
Обеспечение финансирования инновационных исследований было постоянной борьбой в послевоенной Японии. Государственная и институциональная поддержка была ограниченной, и исследователям часто приходилось опираться на партнёрство с частной промышленностью и международное сотрудничество. Убедить заинтересованные стороны в потенциальной пользе и применимости параметрона требовало значительных усилий и убедительности.
Профессор Хидетоси Такахаси в статье «Some Important Computers of Japanese Design» (IEEE Annals of the History of Computing, том 2, № 4, стр. 330–337, октябрь–декабрь 1980) так описал ту эпоху:
«мы были на грани голода в руинах побеждённой страны»... «мы были голодны как в отношении знаний, так и в отношении пищи».
Такая была атмосфера послевоенной Японии, когда изобрели параметрон.
Гото и лаборатория профессора Такахаси тогда были удачливы — после первых сообщений Гото о принципе работы и экспериментальных результатах параметрона их заметили крупные структуры: лаборатория Мусасино компании NTT, крупный телефонный оператор Kokusai Denden (KDD, предшественник сегодняшней KDDI), и другие. Эта поддержка помогла параметрону взлететь.
Тем не менее бюджет оставался небольшим по сравнению, скажем, с MIT. Гото упоминал следующее в интервью для журнала (перевод с японского):
— Как реагировали на параметронный компьютер PC-1? "Ничего особо выдающегося. *1 За рубежом уже за десять лет до этого существовали такие машины, как ENIAC и EDSAC. Кроме того, скорость обработки у параметрона была ниже, чем у транзисторных компьютеров. Тактовая частота транзисторных компьютеров составляла 1 мегагерц, тогда как параметронный компьютер работал максимум на 10-30 килогерц. Гораздо позже я подружился с Маккарти из MIT, и он сказал мне: "Параметрон — интересная идея, но почему вы сделали такой медленный элемент?" Он мог сказать это из-за незнания контекста, но наш бюджет составлял примерно одну тысячную от бюджета MIT*2. Но я всё же испытывал чувство удовлетворения от того, что нам удалось сделать компьютеры доступными в университете в то время. Хотя у машины было всего 256 слов памяти, множество людей приходили её использовать. Других компьютеров тогда просто не было. *1: Автор материала полагает, что Гото, из скромности и слишком хорошо понимая проблему скорости, недооценивал собственное достижение как создатель PC-1. Как он сам упомянул, PC-1 стал чрезвычайно популярен среди учёных, а многие коммерческие компании взяли параметрон на вооружение для создания успешных серийных компьютеров. С точки зрения самого Гото как руководителя проекта, машина могла и не иметь такого большого значения, но у других людей и коммерческих предприятий Японии того времени было совсем иное мнение. *2: Разумеется, Гото имел в виду бюджет аналогичного компьютерного проекта, а не весь бюджет MIT.
Многие частные компании быстро взяли параметрон на вооружение для создания компьютеров и калькуляторов. Некоторые модели продавались очень хорошо в ту эпоху.
Также, после того как параметрон приобрёл известность, за пределами Токийского университета была создана некоммерческая организация для решения вопросов финансирования и интеллектуальной собственности.
Интеллектуальная собственность и сотрудничество
Навигация в вопросах прав интеллектуальной собственности и развитие сотрудничества с зарубежными исследователями были политическими вызовами. Обмен знаниями и технологиями между странами часто затруднялся политическими соображениями и ограничениями. Создание рамок для сотрудничества и обеспечение защиты интеллектуальной собственности были критически важны для развития исследований параметрона.
Поскольку значимость параметрона была очевидна для первых компаний, взявших его на вооружение, они начали помогать Гото патентовать изобретение.