[Перевод] Модификация, восстановление и кончина аналогового компьютера за $3 млн
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.
