テクニカルノート:コンピュータの歴史(2)第1世代 真空管・パラメトロンコンピュータ

テクニカルノート

コンピュータの歴史(2)
第1世代 真空管・パラメトロンコンピュータ

個人会員 新井 全勝

 今回から、電子式ディジタルコンピュータ、すなわちコンピュータの世代分けについて解説します。
 コンピュータは電子回路(論理回路)にどういう素子を使うかにより世代分けされてきました。第1世代は真空管およびパラメトロン、第2世代はトランジスタ、第3世代は集積回路(IC)、第3.5世代はLSI(Large Scale Integration)、そして第4世代はVLSI(Very Large Scale Integration)の世代で、現在です。
 今回は、そのうち、第1世代の真空管コンピュータおよびパラメトロンを用いたコンピュータの世代について解説します。

第1世代(1939年~) : 真空管およびパラメトロン

  1.  この世代は電子回路(論理回路)に主として真空管を使用したコンピュータの世代である。パラメトロンを加えることがある。
  2.  クロスカップル真空管アンプによりパルス列が生成されることが、1918年にウィリアム・エクルズとF・W・ジョーダンによって発見された。この回路がフリップフロップ(二進法の基本である1ビットの情報を一時的に”0″または”1″の状態として保持する(記憶する)ことができる論理回路)の基礎となり、電子式ディジタルコンピュータの基本要素となった(『ウィキペディア』計算機の歴史)。
  3.  クロード・シャノンは、1937年のマサチューセッツ工科大学での修士論文「継電器及び開閉回路の記号的解析」において、電気回路(ないし電子回路)が論理演算に対応することを示した。すなわち、スイッチのオン・オフを真理値に対応させると、スイッチの直列接続はANDに、並列接続はORに対応することを示し、論理演算がスイッチング回路で実行できることを示した。
     これは、ディジタル回路・論理回路の概念の確立であり、それ以前の電話交換機などが職人の経験則によって設計されていたものを一掃し、数学的な理論に基づいて設計が行えるようになった。どんなに複雑な回路でも、理論に基づき扱えるということはコンピュータの実現に向けた、大きなステップの一つだったといえる(『ウィキペディア』クロード・シャノン)。
     しかし、ディジタル回路と論理演算の対応付けは、中嶋章が1934年頃から研究し、論文としては1936~1937年に榛沢正男と発表した「継電器回路に於ける単部分路の等価変換の理論」が先行しているが、前者の着想が独立かどうかは不明といわれる(『ウィキペディア』論理回路)。
  4.  アタナソフ&ベリー・コンピュータ(ABC)は、1939年に最初にデモンストレーションされたプロトタイプで、現在では世界初の真空管式コンピュータ(電子式ディジタル計算機械)として記録されている。しかし、線型方程式系を解くことができるだけで、汎用的なコンピュータではなかった(『ウィキペディア』計算機の歴史)。
  5.  1946年2月に公開されたENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) は世界初の電子式汎用ディジタルコンピュータとされている。ENIACは個々の機能を持つ装置間の配線変更とスイッチ設定によりプログラミングするプログラム制御方式(ワイヤードプログラム方式)の計算機械であり、ペンシルベニア大学の物理学者ジョン・モークリーと電子工学者ジョン・プレスパー・エッカートにより開発された(同上)。
  6.  モークリーとエッカートはENIACの限界を悟り、ストアードプログラム方式のコンピュータのアイデアを考案し、1944年8月、EDVACの設計と構築を提案した。エッカートとモークリーを含むENIAC設計者らはコンサルタントという立場のジョン・フォン・ノイマンと合流して設計を開始した。世界最初のストアードプログラム方式(プログラム内蔵式ともいう)のコンピュータの設計といわれる。完成は最初ではない(『ウィキペディア』EDVAC)。
  7.  論理設計について話し合った結果を、ノイマンがEDVACの設計について記した文書 (『EDVACに関する報告書の第一草稿』1945年6月)が広く流布することになったため、ノイマン型コンピュータと呼ばれるようになった(『ウィキペディア』計算機の歴史)。
  8.  世界初の実用的なストアードプログラム方式のコンピュータは、前回詳述したEDSAC(エドサック、Electronic Delay Storage Automatic Calculator)である。英国ケンブリッジ大学の数学研究所のモーリス・ウィルクスとそのチームが1949年5月に開発した。
     デビッド・ホイーラーは、このプロジェクトでサブルーチンの概念を発明し、サブルーチンにジャンプする命令のあるアドレスに1を加えたアドレス(戻りアドレス)をレジスタに格納した状態でサブルーチンにジャンプする命令「Wheeler jump」が追加された(『ウィキペディア』EDSAC)。
     EDSACは、いろいろなシステムソフトウエアや技法を開発し、ソフトウエア産業の出発点となったコンピュータといわれる(同上)。
  9.  世界初の商用コンピュータは、1951年2月に英国マンチェスター・ビクトリア大学に納入された Ferranti Mark 1 である。同大学で1949年に開発されたManchester Mark I を元に英国フェランティ社が開発した。Manchester Mark I からの主な改良点は、記憶装置の容量増、乗算器の高速化、命令の追加であり、基本サイクル時間は1.2ミリ秒で、乗算を約2.16ミリ秒で実行した。
     なお、Manchester Mark Iは、初めてインデックスレジスタを採用し、配列をアクセスするプログラムの制作を容易にした(『ウィキペディア』Manchester Mark I)。
  10.  UNIVAC I (UNIVersal Automatic Computer I、ユニバック・ワン、万能自動計算機の略)は米国で作られたビジネスアプリケーション向けとして世界初の汎用電子ディジタルコンピュータである。ENIACの発明者であるエッカートとモークリーが中心となって設計し、彼らが設立したエッカート・モークリー・コンピュータ・コーポレーション(EMCC)で開発が開始されたが、1950年にレミントンランドが買収して販売にこぎつけた。当時、コンピュータといえばUNIVACと言われるほど普及した(『ウィキペディア』UNIVAC I)。
  11.  1952年、IBMは IBM 701 を発表。700/7000シリーズの最初の機種であり、IBMのメインフレームの始まりである(『ウィキペディア』計算機の歴史)。
     IBM 704は、1954年4月に発表され、浮動小数点数演算ハードウェアを搭載した初の量産型コンピュータである。新しい命令セットは、その後のIBM 709/7090 シリーズの科学技術計算系コンピュータの基本となった(『ウィキペディア』IBM 704)。このコンピュータにより、科学技術計算系と事務処理系とが分離される時代となった。
  12.  FORTRAN(フォートラン)は、1954年にIBMのジョン・バッカスによって考案され、広く使われた世界最初の高水準言語であり、科学技術計算用の手続き型プログラミング言語である。Formula Translationを略して「FORTRAN」という用語が作られた。
     1957年にIBM 704用に最初のコンパイラ(翻訳ソフトウエア)が開発された。顧客はアセンブリ言語で記述されたコードに匹敵するパフォーマンスが得られない限り高級言語を採用しないので、最初から最適化コンパイラが開発された。プログラム開発の生産性の向上とともに非専門家がプログラムを作成できるようになった効果は大きい、といわれる。
     1958年には、同じグループがFORTRAN IIを開発し、別々にコンパイルされたFORTRANプログラムをロード時にリンクし、シンボリックリンクとデータ共有を可能にすることで、オリジナルのシステムの機能を拡張した。
     IBMの社内誌であるThinkに掲載された1979年のインタビューで、バッカスは「私がこの仕事をしたのは面倒くさがりだったからです。私はプログラムを書くことが好きではなかったので、IBM 701でミサイルの軌道計算プログラムを開発したときに、プログラムの開発を簡単にするためにプログラミングシステムを作り始めました」、と語っている(『ウィキペディア』FORTRAN)。
  13.  FORTRANモニタシステムは、1959年クリスマス頃に、IBMが初めてリリースしたIBM709のバッチ処理用OSである。FORTRANソースプログラムのコンパイル、リンク、ゴウのジョブをノンストップで実行するとともにそれらのジョブを連続的に処理する磁気テープベースのOSである。
     ジョブは磁気テープから入力され、ジョブの出力結果は磁気テープに出力される。ジョブカードの入力や出力結果の印刷や穿孔はIBM1401を使って同時並行的に処理された。このような構成は、遅い入出力装置をカバーするためであり、スプーリング(Simultaneous Peripheral Operations On-Line)処理と呼ばれた。
     従来、OSはゼネラルモーターズやノースアメリカン航空などのユーザがコンピュータを有効に使用するために開発していたが、IBMのユーザ団体SHAREを介してIBMからリリースすることを要請され、対応したものといわれている。こうして、コンピュータメーカから標準的なOSが提供される体制が生まれた(Webサイト『the collection of the Computer History Museum』「FMS: The IBM FORTRAN Monitor System」)。
  14.  富士写真フィルムのFUJIC(フジック)は1956年3月に完成し、本格稼働した日本最初のコンピュータである(『ウィキペディア』FUJIC)。
  15.  この世代のコンピュータは、主メモリとして、水銀遅延線、ウィリアムス菅、磁気ドラムメモリ、磁気コアメモリなどを用いた(『ウィキペディア』計算機の歴史)。
     磁気ドラムメモリは、1932年、オーストリア・ウィーン出身のドイツの技術者グスタフ・タウシェクが発明した記憶装置である(『ウィキペディア』磁気ドラムメモリ)。
     磁気コアメモリの原理は1951年に発明され、1953年夏に、マサチューセッツ工科大学 (MIT) の Whirlwindに取り付けられた。これが磁気コアメモリの搭載された史上初のコンピュータである(『ウィキペディア』磁気コアメモリ)。
  16.  パラメトロンはフェライトコアのヒステリシス特性による、パラメータ励振現象の分周作用を利用した論理素子である。1954年に東京大学の大学院生であった後藤英一が発明した。真空管や初期のトランジスタと比べ安定しているという特徴がある。多数のパラメトロン式コンピュータが日本で開発された(『ウィキペディア』パラメトロン)。
  17.  日立製作所のHIPAC101は、1959年6月にパリで開催されたUNESCO主催の計算機展示会に出品する目的でHIPAC MK-1を改良したパラメトロン式計算機であり、その後商用化された。
     パリの展示会では,ロダンの「考える人」の絵をタイプライタでプリントし,好評を博した(『IPSJコンピュータ博物館』【日立】 HIPAC 101)。その展示会に出品されたコンピュータで、唯一稼働したコンピュータといわれ、パラメトロンの安定性が実証された。

参考文献

  1. 『ウィキペディア』計算機の歴史、クロード・シャノン、論理回路、EDVAC、EDSAC、Manchester Mark I、UNIVAC I、IBM 704、FORTRAN、FUJIC、磁気ドラムメモリ、磁気コアメモリ、パラメトロン
  2. Webサイト『the collection of the Computer History Museum』「FMS: The IBM FORTRAN Monitor System」
  3. 『IPSJコンピュータ博物館』【日立】 HIPAC 101

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