Модификация, восстановление и кончина аналогового компьютера за $3 млн

Автор оригинала: Chris Lott
  • Перевод


Как в 1940-х годах можно было с большой скоростью записать выходные данные вашего трёхмиллионного аналогового компьютера, если результаты его работы видны только на аналоговых измерительных приборах? С этой проблемой столкнулась команда из технологического института Джорджии, ответственная за компьютер, на котором изучались свойства сетей электропередач переменного тока. Они придумали хитроумное решение – хакнуть панель управления и подключить к ней специальный стол для рисования.



Что это?


Что это за зверюга такая — аналоговый компьютер? Подобные машины разрабатывали во время и после Второй мировой войны. Строго говоря, их правильнее было бы отнести к классу масштабных моделей, чем называть настоящими компьютерами. И хотя они были достаточно гибкими, в основном они были разработаны для симуляции сетей электропередач. Теория их работы достаточно обширная, но для измерений просто строилась масштабная модель реальных многофазных сетей передачи энергии, работающая на одной фазе и частоте 400 Гц.

Инженеры «программировали» машину, соединяя нужные элементы схемы (конденсаторы, индукторы, линии передачи, генераторы, и т.п.) на больших коммутационных панелях. После этого запускали расположенный в подвале генератор на 10 кВт, и симуляция начинала работу.



Работа на полставки


В начале 1980-х моей первой задачей в колледже стало восстановление одной из этих машин до рабочего состояния. В 1947 году её купила компания Georgia Power и подарила технологическому институту Джорджии. Там она работала практически без перерыва несколько десятилетий. Потом какое-то время её использовали как учебное пособие, и пару раз перевозили. Когда в игру вступил я, она уже давно не использовалась и пребывала в плачевном состоянии.

Удивительно, но отремонтировать её оказалось довольно просто. Нужно было заменить коммутационные панели, поскольку на них рассохлась и потрескалась вся изоляция. С переключателей и контактов всех элементов электрической схемы пришлось удалить грязь, копившуюся там десятки лет. Несколько семестров эта тихое подвальное помещение было моим убежищем. Я пользовался им, когда мне надо было посидеть в тишине, позаниматься уроками или почитать. Иногда я развлекался, запуская машину для просчёта каких-нибудь задач из учебника по расчёту сетей переменного тока.

Рабочий процесс


После того, как генератор был запущен и стабилизировался на нужной частоте, отслеживать симулируемую сеть можно было, подсоединяя измерительные контуры консоли оператора к любому элементу схемы. Делалось это нажатием кнопки с соответствующим обозначением на клавиатуре, которая была похожа на старый механический сумматор (возможно, это он и был). Почти сразу же на приборах появлялись данные по току, напряжению и потребляемой мощности элемента. Величины были составными, поэтому на измерительных приборах показывались как величина, так и фаза.


Контрольная панель

Операторы получали результат симуляций, последовательно перебирая все нужные элементы схемы. После каждого измерения они делали паузу на то, чтобы записать цифры в блокнот, и затем переходили к следующему элементу.

Что интересно, вся эта система была одной пассивной схемой без активных компонентов. Конечно, в ней были реле для подсоединения измерительных приборов, а генератор давал энергию. Но кроме этого всё это чтение данных с консоли не отличалось от того, как если бы техник с мультиметром прошёлся бы по всему контуру и вручную снял бы показания. Одним исключением было то, что один из измерительных приборов работал при помощи электронного лампового усилителя. Однако использовался он только для одного типа измерений – по-моему, это был VARS. Даже с отключенным усилителем машина была полностью рабочей и полезной.

Мы можем сделать что-то получше


Команда решила улучшить калькулятор так, чтобы инженерам было проще записывать и интерпретировать результаты. Они захотели рисовать результаты прямо на схеме, установив специальный стол рядом с консолью оператора.


Запись результатов симуляции

Крышка стола не была похожа ни на что, что вы когда-либо видели. Она поднималась на манер капота у автомобиля, у неё даже была подпорка. Крышка была металлической, с прозрачным пластиковым покрытием, чтобы поверхность была гладкой. В крышке была проделана сетка из отверстий, к которым был доступ снизу. При внимательном рассмотрении было видно, что она подсоединяется к земле гибкой косичкой проводов.

Внутри стола была решётка из сотен тщательно размеченных штырьков. Для каждого из элементов схемы был свой штырёк – от C1 до C99, от L1 до L99, и так далее. Инженеры зарывались в клавиатуру главной консоли и подключались к нужным логическим сигналам. Их перенаправляли на контуры, расположенные внутри стола, в результате чего контакты выводились на панель со штырьками.

Также внутри стола находилась мешанина из проводов. У каждого провода был разъём для штырька с одной стороны, и небольшая лампочка с другой. Каждую из лампочек можно было аккуратно вставить в любое из отверстий крышки, в результате чего один конец её нити накаливания заземлялся. Затем провод можно было подключить к любому штырьку на панели, что замыкало контур с другого конца нити.


Рисунок внешнего вида стола

Теперь для получения данных от симуляции требовалась новая процедура подготовки. Нужно было не только подключиться к соответствующим элементам схемы, но и подключить все индикаторные лампочки. На столе липкой лентой закреплялась бумага с изображением схемы. Десятки лампочек с проводами устанавливались в нужные места. Каждую лампочку подключали к отверстию под соответствующим элементом схемы, изображённым на бумаге. Затем провод подключали к нужному штырьку на панели. К примеру, провод от лампочки, подключённой к отверстию, расположенному под изображением конденсатора C16, подключался к штырьку С16 на панели, и т.д.

После того, как всё это крысиное гнездо из проводов было подключено, крышку стола закрывали и использовали как обычный чертёжный стол. Запускали анализатор сети, и один оператор на консоли последовательно проходил по каждому из интересующих его элементов, считывая показания с приборов. Второй оператор, сидевший за столом рядом с консолью, писал показания прямо на схеме, пользуясь подсвеченными кружочками под каждым из элементов. Сегодня вся эта система напоминает мне грубого предшественника современных симуляторов GUI SPICE, где можно навести курсор или кликнуть по нужному элементу, и получить «измеренные» значения.

Старые схемы


Я нашёл диаграмму схемы выбора измерительного прибора в патенте, заявку на который подали в 1940-м году. Мне она показалась очень интересной – хотя бы тем, что стиль и символы для обозначения элементов отличаются от сегодняшних. Сегодня такого большого количества реле на схемах не встретишь. Смысл устройства довольно легко понять, немного изучив схему. Это, по сути, шина для работы с десятичными индикаторами на 24 провода, с поддержкой вывода единиц измерения и десятков. На месте для индикации сотен видно только четыре провода вместо десяти. Они используются для выбора категории элемента схемы – источник питания, конденсатор, и т.п. Адресной шиной управляют с клавиатуры, а кнопка RESET освобождает «драйверы».



Мы с приятелями как-то рылись в ящиках столов, и нашли старую статью про Герберта Питерса – яркого инженера из компании Westinghouse, которого вместе с анализатором сети перевели в технологический институт Джорджии, и в итоге он прожил в Атланте всю жизнь. Питерс, судя по всему, был ярким представителем хардкорных инженеров старой школы. Мы так и представляли себе, как он в своём галстуке-бабочке склонился над компьютером раздумьях, периодически смахивая рукой сигаретный пепел, падающий на консоль.


Герберт Питерс за работой

Лично я с ним не знаком, но я слышал, что после того, как я закончил институт, он вернулся туда в качестве консультанта. Он наткнулся на транзисторный усилитель, который я делал много месяцев, пытаясь заменить старый сломанный усилитель на электронных лампах. Ни секунды не раздумывая, он выбросил моё устройство в мусорку, и починил старый усилитель меньше чем за час. Я каждый раз вспоминаю эту историю, когда мне приходится разрабатывать какой-нибудь транзисторный усилитель.

Я слышал, что вскоре после того, как я окончил институт в 1985 году, половину анализатора сети выкинули из подвала, чтобы занять площадь чем-то другим. Его основная часть уцелела – просто некоторые элементы схемы были разрезаны пополам. А несколько лет назад избавились и от этих остатков. Сегодня от него остались лишь постепенно тускнеющие фотографии, генератор на 10 кВт в подвале, и прекрасные воспоминания о пользователях этой машины.

Комментарии 19

    +1

    3 ляма 41 года? Вот откуда пошло тёплое (10квт), ламповое (пусть и лампочки были просто светящимися) и безумно дорогое…

      0

      Там, в 40х и далее было много чего теплого и лампового… и очень дорогово.

        0
        Уютная история. Чем-то напомнило книгу «Хакер: Герои компьютерной революции».
          +5

          Аналоговые компьютеры были и в СССР. В университете (закончил в 2001) приходилось с ними работать на лабах. Это был стенд, состоящий из модулей. Модули разные — интегратор, дифференцирующее звено, сумматор и т.д. Их можно было настраивать (устанавливать постоянные времени например) и соединять между собой. Таким образом создавалась схема области теории автоматического управления. А эти схемы моделировали какие-то явления из области летательных аппаратов. Подавалось питание и можно было измерять (наблюдать на осц.) результат работы. Помню там можно было подавать разные вх. сигналы — ступеньку, одиночный импульс. И напряжения вроде были довольно высокие, около 100В наверное на лампах работала техника, точно не помню.

            +1
            Наши назывались МН — Модель Нелинейная. Использовали их также медики, для моделирования эпидемических процессов.
              +1

              Аналоговых компьютеров было много в СССР, на самом деле. Классическое применение — вычисление преобразования Фурье, которое оптически делается в прямом смысле со скоростью света! Вот в МФТИ даже лабораторная работа на эту тему есть: ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ФУРЬЕ В ОПТИКЕ Дело в том, что военным нужны были быстродействующие локаторы бокового обзора для самолетов, радиолокационные станции и прочее — и все это было создано до появления цифровой техники.

                +1

                Да, во времена своего активного применения аналоговые вычислители были быстрее, и что не менее важно, надёжнее цифровых современников.

                  +1

                  Что интересно, пленочный транспарант можно порвать и заклеить скотчем, к примеру, и он будет пригоден к использованию… в век цифровой техники это уже кажется просто магией :)

                  0

                  Доктор наук Александр Николаевич Малов (г. Иркутск) рассказывал, что работы по созданию оптических компьютеров были свернуты с появлением алгоритма БПФ, который позволял вести расчеты спектров на тогдашних ЭВМ. В оптических вычислителях данные выглядели бы как транспаранты, изображения которых подавались на входы оптических систем, которые и работали с ними — линзы, фильтры, нож фуко итд — со скоростью света.

                    0

                    Да, с появлением БПФ и доступных компьютеров стало проще (намного) на них считать. В начале 2000-х мы (кафедра общей физики в ННГУ, Нижний Новгород) уже, наоборот, на компьютерах моделировали фазовые транспаранты, необходимые для получения произвольных изображений (2D) и голограмм (3D), а потом их создавали с помощью лазера в фотополимеризующихся композитах. Так вот, то фотополимеров не было, то было мало и химики не хотели делиться, то приезжала партия такого качества, что только мышей травить, то древний лазер приказывал долго жить… на фоне всего этого работа даже на паршивеньких персоналках выполнялась сильно быстрее, чем практическая часть (создание и тестирование транспарантов). Сегодня, кстати, это все тоже актуально — проектирование оптических метаматериалов аналогично выполняется (те же вычисления, по сути), не знаю уж, занимаются ли этим в ННГУ.

                  –1
                  До сих пор непонятно, как коммунистическая партия всех трудящихся допустила разработку устройоств, которые лишают работы простых тружеников. Сначала автоматизируют станок, а потом рабочий становится не нужен
                    +1

                    Так вроде в доктрине коммунизма как-раз и ожидалось что человеки перейдут на схему "вкалывают роботы-счастлив человек", а люди начну заниматься наукой, искусством и тп.
                    Что правда в плановой экономике многие изобретения так и не увидили свет, по той простой причинине что их нельзя было запланировать наперёд :)

                    0

                    Всеми ныне любимые нейронные сети впервые появились на свет в аналоговом воплощении.

                    +2

                    то неловкое чувство, когда в 2021 доводится работать на подобной штуке. ч/б схема в статье прям до боли знакома: контакты реле и коммутационная матрица. правда, наш электромеханический монстр дополнен проприетарной ЭВМ на РПЗУ и перфокартах, где за мнемониками стоит листинг на РУССКОМ языке. и предназначено это всё для проверки и поверки ракет воздух-воздух/поверхность


                    с одной стороны — красота, а с другой — редчайшее глиномесие. знали б деды, что эти 3-4 огроменных шкафа на лафете с логикой, программируемыми источниками питания и интеграторами можно заменить парой гаинтовских коробочек с микроконтроллерами… но не было их тогда, отчего сллжнейшие задачи решались воистину героическими методами

                      –1

                      Типичный для вояк предельный консерватизм и принцип "работает — не трогай". Но теперь это замшелое легаси надо ещё и героически поддерживать.

                        +1
                        ну справедливости ради — иногда и сегодня невозможно обойтись без аналогового вычислителя, если речь идет о моделировании с трудом дискретизируемого процесса
                        0

                        Я понимаю, что переводчик не будет читать комментарии, но "schematic diagram" — это принципиальная схема, а "circuit" — это цепь. Для тех, кто переводит "circuit" как "контур", в аду есть отдельный котёл.

                          0

                          И "составные" по сути есть "комплЕксные" с амплитудой и фазой.

                          0
                          10 кВт генератор — скорее всего — мотор+генератор…

                          Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                          Самое читаемое