マンチェスター・マークワン | 1949

 

マンチェスター・マーク1は、イギリスのマンチェスター大学で開発された最も初期のストアドプログラムコンピュータの一つです。1948年6月に稼働を開始し、マンチェスター・ベイビーに基づいており、1948年8月に作業が始まり、最初のバージョンは1949年4月に稼働しました。1949年6月16日から17日まで、メルセンヌ素数を探索するプログラムが9時間エラーなしで実行されました。

このマシンの成功した運用は、イギリスのメディアで広く報道され、「電子脳」と呼ばれました。この表現は、電子コンピュータが本当に創造的であり得るのかについての長年の議論を引き起こしました。特に、マンチェスター大学の神経学部内でこの議論が活発に行われました。

マーク1は、大学内で計算資源を提供し、研究者がコンピュータを使った実践的な経験を積むことを目的に設計されましたが、すぐにフェランティの商業版のプロトタイプとなりました。1949年末までに開発は停止され、1951年2月に世界初の商業利用可能な汎用電子コンピュータであるフェランティ・マーク1に置き換えられました。

歴史的に、このコンピュータは、メモリ内の単語を順次読み取ることを容易にするインデックスレジスタの先駆的な導入で特に重要です。このマシンの開発からは34件の特許が出願され、その多くの設計アイデアはIBM 701や702、フェランティ・マーク1といった後の商業製品に取り入れられました。主要な設計者であるフレデリック・C・ウィリアムズとトム・キルバーンは、マーク1の経験を通じて、コンピュータは純粋な数学よりも科学的な役割に使用されることになると結論づけました。1951年には、浮動小数点ユニットを含むマーク1の後継機、メグの開発を開始しました。

このマシンはマンチェスター自動デジタルマシン（MADM）としても知られています。

1936年、数学者アラン・チューリングはプログラムとデータをテープに保存できる「普遍的計算機械」の理論的定義を提示しました。彼は、そのような機械がアルゴリズム的に定式化可能なすべての数学的問題を解決できることを証明しました。1940年代には、チューリングやコンラート・ツーゼらが、テープに依存するのではなく、コンピュータメモリを用いてプログラムとデータを保存するアイデアを発展させましたが、ストアドプログラムコンピュータのアーキテクチャを定義したことで広く認識されているのはジョン・フォン・ノイマンです。マンチェスター・マーク1はこのアーキテクチャに基づいていました。

フォン・ノイマンコンピュータの実用化は、適切なメモリデバイスの利用可能性に依存していました。世界初の電子ストアドプログラムコンピュータであるマンチェスター・ベイビーは、ストアドプログラム方式と、初期のコンピュータメモリの一形態であるウィリアムズチューブの実用性を示すことに成功し、1948年6月21日に初めてのプログラムを実行しました。初期の電子コンピュータは通常、再配線が必要だったり、プラグやパッチパネルを通じてプログラムされる必要があり、現代的な特徴であるプログラムがメモリに別々に保存されていることはありませんでした。たとえば、ENIACの再プログラミングには数日かかることもありました。他の研究者たちも、英国の国家物理学研究所のパイロットACEや、ケンブリッジ大学のEDSAC、米軍向けのEDVACなどのストアドプログラムコンピュータを開発していました。ベイビーとマーク1は、主なメモリデバイスとしてウィリアムズチューブを使用していたことで注目されました。

1948年8月から、ベイビーはマンチェスター・マーク1のプロトタイプとして集中的に開発され、最初は大学のより現実的な計算施設を提供することを目的としていました。1948年10月、英国政府の首席科学者であるベン・ロックスパイザーが大学を訪問し、プロトタイプ・マーク1のデモに非常に感銘を受けたため、地元のフェランティ社との契約を直ちに締結しました。この契約により、機械の商業版であるフェランティ・マーク1の製造が進められることになりました。1948年10月26日付の手紙で、ロックスパイザーは「私たちが議論したように、ウィリアムズ教授の指導の下で電子計算機の建設を進めることを許可します」と記載しました。以降、マーク1の開発はフェランティの商業機械の設計基盤を提供することを目指しました。政府とフェランティの間の契約は1948年11月に締結され、5年間続く予定で、年間約35,000ポンド（2023年で約138万ポンド）と見積もられました。

ベイビーはフレデリック・C・ウィリアムズ、トム・キルバーン、ジェフ・トゥーティルを含むチームによって設計されました。研究学生のD.B.G.エドワーズとG.E.トーマスがマーク1の開発チームに加わり、1948年8月から本格的な作業が開始されました。このプロジェクトは、商業機械の設計基盤を提供しつつ、研究者がそのような機械を使用する経験を積むことを目的としていました。マンチェスター・マーク1の最初のバージョンである中間バージョンは1949年4月に稼働しました。しかし、この最初のバージョンはメインストレージと新しく開発された磁気バックアップストレージの間でデータをプログラム的に転送するためのコマンドが欠けていたため、機械を再起動するには手動で転送する必要がありました。この欠陥は、最終仕様バージョンに統合され、1949年10月に完全に稼働するようになりました。マシンには4,050本の真空管が搭載され、25キロワットの電力を消費しました。信頼性を高めるために、ベイビーで使用されていた標準デバイスの代わりにGEC製のカスタムCRTが使用されました。

ベイビーの32ビットワード長は40ビットに拡張され、各ワードは単一の40ビット数または2つの20ビットプログラム命令を格納できるようになりました。メインストレージは、最初は2つのダブルデンシティウィリアムズチューブで構成され、各チューブには32×40ビットワード配列の2ページが保持され、さらに磁気ドラムによって追加の32ページがバックアップされました。最終仕様バージョンでは、メインストレージに4つのウィリアムズチューブを使用して8ページの容量が増加し、磁気ドラムバックアップストレージに128ページが追加されました。最初は「磁気ホイール」として知られていた直径12インチ（300 mm）のドラムは、その表面に平行な磁気トラックを含み、各トラックには独自の読み書きヘッドがありました。各トラックは2,560ビットを保持しており、2ページに相当します。ドラムの1回転には30ミリ秒かかり、その間に両ページがCRTメインメモリに転送されましたが、実際のデータは最大40ビットの情報しか提供できず、プログラムの長さが20ビットを超えるとプログラムの再起動が必要でした。マーク1のプログラムは、オペレータがそれらの命令を生成するためにプログラミングに追加の手間をかけることを意味し、トラブルシューティングは大変でした。

入力はテレタイプライターを介して行われ、1秒あたり平均3.5文字の速度でプログラムが入力され、平均命令実行時間は2ミリ秒でした。初期のベンチマークでは、マーク1での平均計算はわずか1秒で完了しました。

このマシンは単精度演算をサポートし、バイナリと10進数の両方で操作できるため、バイナリから10進数への変換が可能でした。1951年にデレク・H・H・ホリングスワースとマーガレット・J・A・ライトが実施したプロジェクトは、動的モデルを使用してガスネットワークのシミュレーションを実行するプログラムを実装しました。彼らのアルゴリズムは支配方程式の数値解を用いており、満足のいく結果を生成しました。

マーク1の主な制限は設計に起因しており、内部ストレージがなく、磁気コアメモリもなく、浮動小数点演算を効率的に処理できないことでした。このため、より複雑な数学モデルの開発が困難でした。しかし、初期のアプリケーションには、暗号解析、気象学、一般的な科学計算が含まれていました。

限界はあったものの、マーク1はプログラミング、エラーハンドリング、ストアドプログラムアーキテクチャの可能性において重要な経験を提供しました。このマシンは、電子コンピュータが一般的な目的での実用性を証明する上で重要であり、将来のコンピューティング開発に影響を与え、科学研究におけるコンピュータの役割を確立しました。