The FX 1 Computer at Lincoln Laboratory

Lincoln Laboratory’de FX-1 Bilgisayarı

John A. Kessler
Massachusetts Institute of Technology
Lincoln Laboratory, Lexington 73, Mass.

Şimdiye kadar geliştirilmiş en hızlı dijital bilgisayar, Massachusetts eyaletinin Lexington kentindeki M.I.T. Lincoln Laboratory’de çalışır durumdadır. FX-1 olarak bilinen bu yeni bilgisayar, bugün genel kullanımda olan herhangi bir bilgisayardan on kat daha hızlı, yeni bir makine kuşağı için her önemli açıdan çalışan bir modeldir.

Yeni makinenin önemi, mütevazı olan boyutu ya da kapasitesinde değil; alışılmadık derecede yüksek çalışma hızında ve özellikle yüksek frekanslı çalışma için tasarlanmış yeni yapım tekniklerinde yatmaktadır.

Yüksek hızlı, rasgele erişimli depolama için ferrit çekirdekler yerine ince manyetik filmler kullanan ana belleğe sahip ilk makinedir. FX-1, hızlı mantık devreleri ile manyetik film depolamanın sistem çalışması içindeki gerçekçi testleri için, küçük ölçekli, genel amaçlı ve eksiksiz bir bilgisayar olacak şekilde tasarlanmıştır.

Bellek

Lincoln FX-1’in merkezî belleği için okuma-yazma çevrim süresi 0,3 mikrosaniyedir. Günümüzdeki makinelerde bulunan en hızlı ana bellekler genellikle 2 ile 12 mikrosaniye arasında değişmektedir. Bu bellekler, Lincoln Laboratory tarafından bazı yıllar önce geliştirilen teknikleri izleyerek depolama için manyetik çekirdekler kullanır.

Var olan en büyük çekirdek bellek, 2.500.000 bitten fazla kapasiteye sahip olup yaklaşık dört yıl önce Lincoln tarafından yapılmış ve daha eski Lincoln TX-2 bilgisayarının bir parçasıdır. Bu büyük çekirdek belleğin okuma-yazma çevrim süresi 6,5 mikrosaniyedir.

Şekil A. Yüksek hızlı dijital bilgisayarlarda bellek elemanı olarak kullanılan küçük halka biçimli ferrit çekirdeklerden oluşan tipik bir düzlemsel dizi. Minik çekirdeklerden geçirilen teller, depolanmış bilgiyi algılamak ve yeni bilgi yazmak için kullanılan akım darbelerini taşır. Yaklaşık on yıl önce M.I.T. Whirlwind I bilgisayarında kullanım için ilk kez geliştirilen bu bellek türü, bugün kullanımda olan hemen hemen her yüksek hızlı makinede yer almaktadır.

TX-2’nin bir diğer parçası da, ince manyetik filmler kullanan küçük ve hızlı bir bellektir; bu, bir bilgisayara yerleştirilen bu türdeki ilk bellektir (bkz. Şekil C).

Yaklaşık iki yıldır düzenli kullanımda olan bu manyetik film bellek, TX-2’de bilgisayarın kendi işlevleriyle uyumlu olarak 0,8 mikrosaniyelik bir çevrim süresiyle çalışmaktadır; tezgâh testlerinde ise, bellek yapıldığı sırada mevcut olan transistörlerin performansıyla sınırlı olarak, 0,4 mikrosaniyelik bir çevrim süresine ulaşılmıştır.

Yeni FX-1’deki daha hızlı manyetik film ana bellek, aradan geçen iki yıllık dönemde geliştirilen daha iyi transistörler, devreler ve üretim tekniklerinden yararlanmaktadır.

Şekil B. Lincoln Laboratory TX-2 bilgisayarındaki büyük çekirdek bellek. 2,5 milyon bitlik kapasitesiyle, şimdiye kadar yapılmış en büyük çekirdek bellektir. Okuma-yazma çevrim süresi 6,5 mikrosaniyedir.

Şekil 1, ince cam plakalar üzerine biriktirilmiş manyetik film bellek elemanlarından oluşan iki diziyi göstermektedir. Dairesel noktalar küçük TX-2 belleğinde kullanılmıştır; küçük dikdörtgen noktalar ise FX-1’de kullanılmaktadır.

Başlangıç FX-1 belleği, her biri on üç bit olan 256 sözcük kapasitesine sahiptir; ancak başlangıç kapasitesini dört katına çıkarmak için düzenlemeler yapılmıştır. Bu bellek, FX-1’in amacına hizmet edecek, üretim ve işletim tekniklerinin pratik ölçekte gerçekçi bir testini sağlayacak ve aynı zamanda makinenin bazı pratik amaçlar için yararlı olabilmesini mümkün kılacak yeterli depolamayı sunacak büyüklüktedir. Mantık devrelerinin yüksek hızı ve belleğin kısa çevrim süresi sayesinde, FX-1, önemli ölçüde daha büyük geleneksel makinelerin performansına eşdeğer bir düzeye ulaşabilmektedir.

Şekil C. Çekirdekler yerine ince manyetik filmler kullanan küçük ve hızlı bellek, Lincoln Laboratory TX-2 bilgisayarında yaklaşık iki yıldır düzenli kullanımda bulunmaktadır. Bir bilgisayara yerleştirilen bu türdeki ilk bellek olup, 0,8 mikrosaniyelik bir çevrim süresiyle çalışmaktadır.

Bellek Yapımı

Bellek, reçine emdirilmiş cam elyaflı bezden yapılmış esnek bir tabaka üzerinde basılı devre kablolaması kullanır. Şekil 2’de gösterildiği gibi, esnek kablolama tabakasının iki yarısı sert destek levhalarına monte edilmiştir ve yarımlar arasında esnek bir menteşe bırakılmıştır. İnce cam destek plakaları üzerine biriktirilmiş bellek elemanlarının dizileri, Şekil 3’te gösterildiği gibi kablolama üzerine yerleştirilir; böylece her manyetik film elemanı, Şekil 4’te gösterildiği üzere, kablolama tabakasındaki birbirine dik iki iletkenin kesişim noktasına oturur. Tüm bellek elemanı dizileri kablolama tabakasının alt yarısına yerleştirildiğinde, üst yarı katlanarak, Şekil 5’te gösterilen ve ilişkili devreleri içeren tamamlanmış bellek elde edilir. Bu tek birim, FX-1 bilgisayarının 256 sözcüklük, 3328 bitlik belleğini barındırır.

Devreler

Lincoln’ün yeni FX-1’indeki mantık devreleri, saniyede 50 milyon darbe etkin saat hızında çalışır; bu, TX-2 ve hâlihazırda çalışmakta olan diğer büyük makinelerden on kat, bugüne kadar açıklanan en hızlı ticari makinenin hızının ise dört katıdır. Bu hız artışı, Lincoln’ün Bilgisayar Bileşenleri Grubu’nun iş birliğiyle alt yüklenici kapsamında geliştirilen ve artık ticari üretimde olan yüksek hızlı anahtarlama transistörleri sayesinde mümkün olmuştur. Günümüzde yaygın kullanımda olan en hızlı ticari makinelerin saat hızları, TX-2’ninkiyle karşılaştırılabilir düzeydedir.

FX-1’de yaklaşık 3000 transistör kullanılmaktadır; bu sayı, yaklaşık beş yıl önce yapılmış olan ve bugün Laboratuvarda kullanılan TX-2 bilgisayarının öncülü niteliğindeki Lincoln TX-0 bilgisayarındaki transistör sayısına yakındır. TX-2’nin merkezî makinesinde yaklaşık 30.000 transistör vardır ve yeni büyük ticari makinelerden birinde iki yüz bin kadar transistör bulunacaktır.

FX-1 mantık devreleri, kompaktlık için tasarlanmış olmanın yanı sıra yüksek frekanslı çalışmaya özellikle uygun olacak şekilde geliştirilmiş tak-çıkar birimler içinde paketlenmiştir. Bileşenler, Şekil 6’da gösterildiği gibi, tak-çıkar birimin mekanik çerçevesinin ayrılmaz bir parçası olan iki basılı devre kartının üzerine ya da arasına monte edilmiştir. Tak-çıkar birimler, her biri yirmiye kadar birimi tutan tepsilere (Şekil 7) yerleştirilir ve bu tepsiler de bilgisayar çerçevesine takılır. Yakın ilişkili işlevlere sahip tak-çıkar birimler, bağlantıları basitleştirmek için ortak bir tepsi üzerinde konumlandırılmıştır.

FX-1’de, on iki standartlaştırılmış temel tipten yaklaşık 325 tak-çıkar birim kullanılmaktadır. Bunlar, 13 farklı tipte 24 tepsiye monte edilmiştir. Güç kaynaklarıyla birlikte tüm bilgisayar, Şekil 8’de gösterildiği gibi yalnızca üç röle rafı kaplamaktadır.

FX-1’deki bazı tepsiler, tak-çıkar birimler için kullanılan basılı devre kablolamasına ve çoğu tepsi için kullanılan geleneksel noktadan noktaya lehimli kablolamaya karşıt olarak, kaplamalı devre kablolaması adı verilen bir geliştirme tekniğiyle üretilmiştir. Kaplamalı devre tepsileri, ortada bir bakır toprak düzlemi olacak şekilde, her iki yanında kazınmış kablolama katmanlarından oluşur. Bu tür kablolama, şerit iletim hattı gibi davranır ve yüksek frekanslarda devre performansını basitleştirmesi ve iyileştirmesi beklenen düzgün empedans özellikleri sunar. Bir kablolama katmanından diğerine bağlantılar, lehimleme yerine kaplamalı geçiş delikleriyle yapılır. Kısmen kablolanmış deneysel bir şerit hatlı tepsinin arkası Şekil 9’da gösterilmektedir. FX-1, bu tür kablolamanın yüksek frekanslı devrelerin performansında önemli bir etken olduğu durumlarda test edilmesi için uygun bir araçtır.

FX-1 bilgisayarı, M.I.T. Lincoln Laboratory Bilgi İşleme Bölümü’ndeki Dijital Bilgisayarlar Grubu tarafından, Lincoln’ün Bilgisayar Bileşenleri Grubu’nun desteğiyle tasarlanmış ve yapılmıştır. Lincoln Laboratory, ABD Ordusu, Deniz Kuvvetleri ve Hava Kuvvetleri’nin ortak desteğiyle, Massachusetts Institute of Technology tarafından Hava Kuvvetleri sözleşmesi kapsamında işletilen bir araştırma merkezidir.

II. Arka Plan: Lincoln Laboratory’de Genel Amaçlı Dijital Bilgisayarların Gelişimine İlişkin Bazı Notlar

M.I.T. Lincoln Laboratory’de bilgisayar geliştirme çalışmaları, ilk modern, yüksek hızlı, genel amaçlı dijital bilgisayar olan Whirlwind I etrafında şekillenen M.I.T. Digital Computer Laboratory’ye dayanmaktadır. Whirlwind için planlama 1946’da başlamış ve makine, o dönemde var olan en büyük ve en hızlı dijital bilgisayar olarak 1951’in sonlarında tam ölçekli işletime geçmiştir. Tasarım ve yapım çalışmaları Office of Naval Research tarafından desteklenmiştir.

Lincoln Laboratory, hava savunmasında acilen gerekli iyileştirmeleri sağlamak amacıyla, Ordu, Deniz Kuvvetleri ve Hava Kuvvetleri’nin talebi üzerine 1951’de kurulmuştur. 1946–1951 döneminde, büyük ölçüde Whirlwind’in geliştirilmesiyle teşvik edilen bilgisayar teknolojisinin hızlı evrimi, radar verilerini işleyen, görüntüler üreten ve savunma silahlarını yönlendiren yarı otomatik bir sistemin uygulanabilirliğini göstermeyi mümkün kılmıştır. Kıtasal hava savunması için böyle bir sistemin hayata geçirilmesi, Lincoln Laboratory’nin varlığının ilk sekiz yılı boyunca başlıca uğraşı olmuştur. Bunun sonucu, şimdi Hava Kuvvetleri tarafından operasyonel olarak kullanılan, şimdiye kadar girişilmiş en büyük veri işleme sistemi olan SAGE (Semi-Automatic Ground Environment) Sistemidir. Bu sistem, yetmiş kadar büyük dijital bilgisayar (AN/FSQ-7 olarak adlandırılan) ve çok daha fazla sayıda özel amaçlı veri işlemci kullanmaktadır. Tüm bu donanım başlangıçta Lincoln Laboratory’de tasarlanmış, daha ileri mühendislik geliştirmeleri ve üretim ise çeşitli imalat yüklenicileri tarafından gerçekleştirilmiştir.

Lincoln Laboratory kurulduktan kısa bir süre sonra, M.I.T. Digital Computer Laboratory, Lincoln’ün Dijital Bilgisayar Bölümü hâline gelmiş ve Lincoln, Whirlwind I’in kullanımı ve daha ileri geliştirilmesi için birincil sorumluluğu üstlenmiştir. 1953–54 yıllarında Whirlwind, daha önce yüksek hızlı depolama için kullanılan elektrostatik depolama tüplerinin yerini almak üzere geliştirilen ilk 1024 sözcüklük ferrit çekirdek belleğin başlıca test aracı olmuştur.

Ferrit çekirdek bellek, modern dijital bilgisayar teknolojisi için temel öneme sahip olduğu kanıtlanmış bir M.I.T. katkısıdır. Whirlwind’deki ilk çekirdek belleğin kapasitesi, 10 mikrosaniyelik bir okuma-yazma çevrim süresiyle 1024 adet 16 bitlik sözcüktü.

1953 yılında ayrıca, Bellek Test Bilgisayarı (Memory Test Computer – MTC) hem bir bellek test aracı olarak hem de kendi başına genel amaçlı bir bilgisayar olarak işletime alındı. 1954’te MTC’ye, Whirlwind’deki merkezi çekirdek belleğe kıyasla iki kat daha hızlı olan, yaklaşık 5 mikrosaniyelik bir okuma-yazma çevrim süresine sahip 4096 sözcüklük bir çekirdek bellek kuruldu. Şekil A, MTC’de kullanılan bir çekirdek düzlemini göstermektedir.

Lincoln TX-0 bilgisayarı 1956’da işletime girdi. Bu, mantık devrelerinde transistörlerin (yaklaşık 3000 adet) vakum tüplerinin yerini tamamen aldığı ilk Lincoln bilgisayarıydı. 5 megapuls’luk bir saat hızına sahiptir; bu, Whirlwind ya da MTC’ninkinden iki buçuk kat daha hızlıdır. TX-0, transistör devrelerinin ve şimdiye kadar yapılmış en büyük çekirdek belleğin değerlendirilmesi ve geliştirilmesi için bir test platformu olarak hizmet verdi; bu bellek yaklaşık 2,5 milyon bitlik bir kapasiteye ve 6,5 mikrosaniyelik bir çevrim süresine sahipti. Bu bellek, SAGE Sistemi için IBM tarafından üretilen büyük bellek birimleri adına bir prototip olarak Lincoln tarafından geliştirildi ve yapıldı. O dönemde bu çekirdek belleği sürmek için gerekli akımları sağlayabilecek transistörler mevcut değildi; bu nedenle bu bellek, yaklaşık 1000 tüp kullanılarak vakum tüpleriyle sürülmektedir. Büyük çekirdek bellek Şekil B’de gösterilmektedir.

TX-0’ın doğrudan ardılı daha büyük TX-2 bilgisayarıdır. 1958’de tamamlanan ve hâlen etkin kullanımda olan TX-2, merkezi makinede yaklaşık 30.000 transistöre sahiptir. Hem TX-0 hem de TX-2 aynı genel devre tasarımını ve yapım tekniklerini kullanır ve aynı saat hızında (saniyede 5 megapuls) çalışır.

Büyük çekirdek bellek artık TX-2’nin ana belleğidir; ancak iki daha küçük yardımcı bellek de kayda değerdir. 1959’da, 150.000 bitlik (4096 adet 36 bitlik sözcük) kapasiteye ve 4,5 mikrosaniyelik bir çevrim süresine sahip, transistörle sürülen bir çekirdek bellek (TDCM) işletime alındı. Aynı yıl, ince manyetik filmler kullanan küçük bir bellek TX-2’ye kuruldu; bu, çalışan bir bilgisayarda kullanılan bu türdeki ilk bellek oldu. Çok küçük fakat çok hızlı olan bu manyetik film belleği yalnızca 320 bitlik bir kapasiteye sahiptir; ancak TX-2’de 0,8 mikrosaniyelik bir çevrim süresiyle çalışmakta olup, tezgâh testlerinde 0,4 mikrosaniyeye kadar denenmiştir.

1959’un başında, Lincoln’ün bilgisayar çalışmalarının SAGE odaklı bölümleri yeni kurulan MITRE Corporation’a devredildi. Lincoln’de kalan ileri bilgisayar geliştirme grupları, yeni kurulan Bilgi İşleme Bölümü’ne dâhil edildi ve hâlen bu bölümle ilişkilidir. Yeni FX-1 bilgisayarının geliştirilmesiyle ilgilenenler bu gruplardır.

Bilgisayar geliştirme çalışmaları boyunca Lincoln, transistör üreticileriyle yapılan alt sözleşmeler aracılığıyla daha yüksek frekanslı transistörlerin geliştirilmesini sürekli olarak desteklemiş ve teşvik etmiştir. Bu program kapsamında geliştirilen birkaç kuşak transistör artık yaygın olarak temin edilebilmekte ve genel kullanımda bulunmaktadır. TX-0 ve TX-2 bilgisayarlarını mümkün kılan 2N240 ve 2N293 transistörlerdi; yeni FX-1’in geliştirilmesini mümkün kılan ise (Lincoln’de yaklaşık iki yıldır kullanılan) 2N769’dur.

Laboratuvar’daki çeşitli gruplar tarafından özel amaçlar için yapılmış olan çok sayıdaki diğer dijital bilgisayar ve bilgi işleme sistemlerinden burada söz edilmemektedir. Tartışma, belleklerin ve mantık devrelerinin hız ve yeteneklerindeki kronolojik artışı göstermek amacıyla seçilmiş birkaç genel amaçlı makineyle sınırlandırılmıştır. Bir sonraki sayfadaki Tablo I–III, bu evrimi farklı açılardan daha ayrıntılı olarak özetlemektedir.

Tablo I

Lincoln Laboratuvarı Bilgisayarlarındaki Bazı Rastgele Erişimli Bellekler

Tablo I