真空管の忘れられたライバル

第三帝国の代替技術である磁気増幅器はインターネット時代まで続いた

磁気増幅器は Univac Solid State で使用されており、ここでは先駆的なコンピューター科学者である Grace Hopper によって 1961 年に操作されている様子が示されています。

2回目中第二次世界大戦中、ドイツ軍はロンドンに破壊の雨を降らせるために使用した V-2 ロケットなど、当時非常に洗練された技術を開発しました。 しかし、V-2 は、他の多くのドイツ軍用ハードウェアと同様に、磁気アンプまたはマグアンプと呼ばれる、おそらく聞いたこともない、無名で一見時代遅れのコンポーネントに依存していました。

米国ではマグアンプは長い間時代遅れだと考えられており、ある情報筋によると「遅すぎ、扱いにくく、非効率すぎて真剣に受け止められない」という。 そのため、当時の米国の軍事電子機器の専門家は、ドイツ人捕虜の尋問で初めて知ったドイツによるこの装置の大規模な使用に困惑していました。 第三帝国の技術者たちは、アメリカ人が知らなかった何を知っていたのでしょうか?

戦後、米国の諜報員は有益な科学技術情報を求めてドイツを探し回った。 400 人の専門家が数十億ページの文書を精査し、約 200 トンのドイツの産業機器とともに、マイクロフィルム化された 350 万ページを米国に返送しました。 この大量の情報と機器の中に、ドイツの磁気増幅器の秘密がありました。それは、これらの装置をコンパクト、効率的、信頼性の高いものにする合金です。

米国の技術者はすぐにそれらの合金を再現することができました。 その結果、1950 年代と 60 年代には磁気増幅器が復活し、その間、磁気増幅器は軍事、航空宇宙、その他の産業で広く使用されました。 それらは、トランジスタに完全に道を譲る前に、いくつかの初期のソリッドステートデジタルコンピュータにも登場しました。 今ではその歴史はほとんど忘れ去られています。 そこで今回はマグアンプの知られざる話をお届けします。

アンプとは、定義上、小さな信号で大きな信号を制御できるようにするデバイスです。 旧式の三極真空管は、グリッド電極に電圧を印加することでこれを行います。 最新の電界効果トランジスタは、ゲートに印加される電圧を使用してこれを行います。 マグアンプは電磁的に制御を行っています。

磁気増幅器は、第二次世界大戦中にドイツ軍が使用した悪名高い V-2 ロケット [上] や、1956 年に完成したマグステック コンピューター [中央] など、さまざまな用途に使用されました。 1961 [下] 関連するコア トランジスタ ロジックを使用。上から: Fox photos/Getty Images; レミントンランドユニバック。 スミスアーカイブ/アラミー

どのように動作するかを理解するには、まず単純なインダクタ、たとえば鉄の棒に巻かれたワイヤを考えてみましょう。 このようなインダクタは、ワイヤを通る交流の流れを妨げる傾向があります。 それは、電流が流れるとコイルが交流磁界を生成し、鉄棒に集中するためです。 そして、その変化する磁界は、最初に磁界を生成した交流に対抗するように作用する電圧をワイヤ内に誘導します。

このようなインダクタに大量の電流が流れると、ロッドは飽和と呼ばれる状態に達する可能性があり、これにより鉄は既に磁化されている以上に磁化されなくなります。 これが起こると、電流は事実上妨げられずにコイルを通過します。 飽和は通常望ましくないものですが、マグアンプはこの効果を利用します。

物理的には、磁気アンプは、容易に飽和する可能性のある金属コア材料の周囲に構築されており、通常はワイヤが巻き付けられたリングまたは四角形のループです。 コアに巻き付けられた 2 番目のワイヤも制御巻線を形成します。 制御巻線には多くの巻線が含まれているため、比較的小さな直流電流を流すことによって、鉄心が飽和状態になったり、飽和状態から抜け出したりすることができます。

したがって、マグアンプはスイッチのように動作します。飽和すると、主巻線の AC 電流が妨げられずに通過します。 不飽和の場合、その電流はブロックされます。 比較的小さな DC 制御電流がはるかに大きな AC 負荷電流を変更できるため、増幅が発生します。

磁気増幅器の歴史は、1901 年にいくつかの特許が出願された米国で始まりました。1916 年までに、大西洋横断無線電話に大型磁気増幅器が使用されていました。これは、高出力、高出力を生成するアレクサンダーソン オルタネーターと呼ばれる発明によって実現されました。無線送信機の周波数交流。 磁気増幅器は、送信される音声信号の強度に応じて送信機の出力を変調します。

1951 年の海軍訓練マニュアルの 1 つは、磁気増幅器について詳しく説明していましたが、その歴史については防御的な態度がとられていました。

1920 年代、真空管の改良により、アレクサンダーソン オルタネーターと磁気アンプのこの組み合わせは時代遅れになりました。 このため、磁気増幅器は劇場の照明調光器などの小さな役割しか果たせなくなりました。

その後のドイツの磁気増幅器での成功は、先進的な磁性合金の開発に大きくかかっています。 これらの材料で作られた磁気アンプは、オン状態とオフ状態の間で急激に切り替わり、より優れた制御と効率を実現しました。 しかし、これらの材料は、不純物、結晶サイズや配向の変化、さらには機械的ストレスに対して非常に敏感でした。 そのため、厳密な製造プロセスが必要でした。

1943 年に開発された最も優れたドイツの素材は、Permenorm 5000-Z と呼ばれていました。 それは、部分真空下で溶解された、非常に純粋な 50/50 ニッケル鉄合金でした。 次に、金属を紙と同じくらい薄く冷間圧延し、非磁性の形状に巻き付けます。 結果はテープのロールに似ており、薄いパーメノルム金属がテープを構成していました。 巻き付け後、モジュールを水素中で 1,100 °C で 2 時間アニールし、その後急冷しました。 このプロセスにより、金属結晶が均一な特性を備えた 1 つの大きな結晶のように振る舞うように配向されました。 これが完了して初めて、ワイヤーがコアに巻き付けられました。

1948 年までに、メリーランド州の米国海軍兵器研究所の科学者はこの合金の製造方法を発見し、すぐにアーノルド エンジニアリング社によってデルタマックスの名前で販売されました。 この磁性材料が米国に到着したことにより、極限条件に耐え、真空管のように焼き切れない磁気アンプに対する熱意が再び高まりました。 したがって、マグアンプは、特に軍事、宇宙、および産業制御など、要求の厳しい環境で多くの用途が見出されています。

1950 年代、米軍は自動操縦装置、火器管制装置、サーボ システム、レーダーおよびソナー装置、RIM-2 テリア地対空ミサイル、その他多くの役割で磁気増幅器を使用していました。 1951 年の海軍訓練マニュアルの 1 つは、磁気増幅器について詳細に説明していますが、その歴史については擁護的な態度で次のように説明されています。「多くの技術者は、ドイツ人が磁気増幅器を発明したと思い込んでいます。実際には、それはアメリカの発明です。ドイツ人は、我々の比較的粗雑な発明を単純に受け入れたのです」デバイスを開発し、効率と応答時間を改善し、重量と体積を削減し、応用分野を広げて、私たちに返してくれました。」

米国の宇宙計画でも、その信頼性から磁気増幅器が広範囲に使用されました。 たとえば、1961 年にアラン シェパードを宇宙に打ち上げたレッドストーン ロケットには磁気増幅器が使用されていました。 1960 年代から 1970 年代にかけてのアポロの月へのミッションでは、磁気増幅器が電源とファンブロワーを制御しました。 当時の衛星は、信号調整、電流の検出と制限、遠隔測定に磁気増幅器を使用していました。 スペースシャトルでさえ、蛍光灯を暗くするために磁気増幅器を使用していました。

磁気増幅器は、宇宙飛行士ジョン・グレン、ヴァージル・グリソム、アラン・シェパードの後ろに示されているもののように、レッドストーン ロケットでも使用されました。Universal Images Group/Getty Images

磁気アンプは産業用制御やオートメーションでも多用されており、磁気アンプを含む多くの製品がゼネラル・エレクトリックのAmplistat、CGS LaboratoriesのIncreductor、WestinghouseのCypak（サイバネティック・パッケージ）、LibrascopeのUnidec（ユニバーサル・ディシジョン・エレメント）などのブランド名で販売されています。

磁性材料しかし、第二次世界大戦中にドイツで開発された技術は、コンピュータ業界に戦後最大の影響を与えました。 1940 年代後半、研究者たちは新しい磁性材料のデータ保存能力をすぐに認識しました。 円形の磁気コアは反時計回りまたは時計回りに磁化され、0 または 1 を保存できます。長方形のヒステリシス ループとして知られるものを備えているため、電源が切られた後も材料はこれらの状態のいずれかで確実に磁化されたままになります。

研究者たちはすぐに、磁気コアの高密度グリッドからコアメモリと呼ばれるものを構築しました。 そして、これらの技術者はすぐに、金属を巻いたコアの使用から、酸化鉄を含むセラミック材料であるフェライトで作られたコアに切り替えました。 1960 年代半ばまでに、製造コストが 1 コアあたり 1 セントにまで低下したため、フェライト コアは数十億単位で打ち切られました。

しかし、磁性材料が初期のデジタル コンピューターに影響を与えた場所はコア メモリだけではありません。 1940 年代に始まったこれらのマシンの第一世代は、真空管を使用して計算されました。 これらは 1950 年代後半にトランジスタをベースとした第 2 世代に置き換えられ、続いて集積回路から構築された第 3 世代のコンピューターが登場しました。

初期のコンピュータではトランジスタが明らかな勝者とは言えず、磁気アンプを含む他の多くの代替品が開発されました。

しかし、コンピューティングにおける技術の進歩は、実際にはこれほど直線的ではありませんでした。 初期のトランジスタは明らかな勝者ではなく、他の多くの代替品が開発されました。 磁気アンプは、世代間に渡って忘れ去られていたいくつかのコンピューティング テクノロジの 1 つでした。

それは、1950 年代初頭の研究者が、磁気コアがデータを保持するだけでなく、論理機能も実行できることに気づいたからです。 コアの周りに複数の巻線を配置することで、入力を組み合わせることができます。 たとえば、巻線が逆方向であると、他の入力が阻害される可能性があります。 このようなコアをさまざまな配置で接続することで、複雑な論理回路を実装できます。

磁気アンプは、誘導コイルのコアに磁化可能な材料 [tan] が存在すると、そのインピーダンスが増加するという事実を利用します。 磁性材料をコイルから物理的に引き出すことによって磁性材料の影響を低減すると、そのインピーダンスが低下し、より多くの電力が AC 負荷に流れることが可能になります。

ここではトロイダル コア [tan] の形をとっている磁化可能材料の影響は、2 番目のコイル (トロイダルの左側) を使用して DC バイアスを適用することで変更できます。 材料を飽和と呼ばれる状態（磁化がそれ以上磁化できない状態）にするのに十分な DC バイアス電流を印加することは、コイルから材料を除去することと機能的に同等であり、これにより、より多くの電力が AC 負荷に流れることが可能になります。

より現実的な回路には、制御巻線に電流が誘導されるのを避けるために、2 つの逆巻き AC コイルが含まれます。 また、ここではブリッジ構成で示されているダイオードも含まれており、回路が DC 負荷を制御できるようになります。 フィードバック コイル [図示されていません] を使用して増幅を高めることができます。David Schneider

1956 年、スペリー ランド社は、数メガヘルツで動作可能なフェラクターと呼ばれる高速磁気増幅器を開発しました。 各フェラクターは、0.1 インチ (2.5 mm) の非磁性ステンレス鋼ボビンの周りに 18 分の 1 ミル (約 3 マイクロメートル) のパーマロイ テープを 12 回巻き付けて構築されました。

フェラクターの性能は、このテープの驚くべき薄さとボビンの小さな寸法の組み合わせによるものでした。 スペリー・ランドは、空軍ケンブリッジ研究センター (AFCRC) コンピューターとしても知られる Univac 磁気コンピューターと呼ばれる軍用コンピューターでフェラクターを使用しました。 このマシンには、1,500 個のフェラクターと 9,000 個のゲルマニウム ダイオード、およびいくつかのトランジスタと真空管が含まれていました。

スペリー ランドは後に、AFCRC コンピュータに基づいてビジネス コンピュータ、つまり Univac Solid State (ヨーロッパでは Univac Calculated Tabulator として知られている) を作成し、その後、より安価な STEP (Simple Transition Electronic Processing) コンピュータを作成しました。 Univac Solid State はその名前に完全に応えたわけではありませんでしたが (プロセッサーには 20 個の真空管が使用されていました)、そこそこの人気があり、数百台が販売されました。

スペリー ランドの別の部門は、米国家安全保障局の暗号解読を支援するためにボガートと呼ばれるコンピューターを構築しました。 カサブランカとキー ラーゴのファンは、このコンピューターが有名なニューヨーク サンの編集者ジョン ボガートにちなんで命名されたと知ったらがっかりするでしょう。 この比較的小型のコンピューターは、NSA の大型コンピューターで処理される前に暗号データ​​を編集していたため、その名前が付けられました。

5 台のボガート コンピューターが 1957 年から 1959 年にかけて NSA に納入されました。これらのコンピューターには、後に有名なクレイ スーパーコンピューターを作成したシーモア クレイによって設計された新しい磁気増幅回路が採用されていました。 伝えられるところによると、クレイは数十の特許の中で、磁気増幅器の設計を最も誇りに思っていました。

ただし、磁気増幅器をベースにしたコンピューターが必ずしもうまく機能したわけではありません。 たとえば、1950 年代初頭、スウェーデンの億万長者実業家アクセル ウェナー グレンは、ALWAC (アクセル L. ウェナー グレン自動コンピューター) と呼ばれる一連の真空管コンピューターを開発しました。 1956 年、彼は米国連邦準備理事会に対し、磁気増幅器バージョンである ALWAC 800 を 15 か月以内に提供できると述べました。 連邦準備理事会が 231,800 米ドルを支払った後、コンピューターの開発は技術的に困難に陥り、プロジェクトは完全に失敗に終わりました。

1950 年代のトランジスタの進歩は、当然のことながら磁気増幅器を使用するコンピュータの衰退につながりました。 しかし、しばらくの間、どちらのテクノロジーが優れているのかは明らかではありませんでした。 たとえば、1950 年代半ば、スペリー ランドは、タイタン核ミサイルを制御する 24 ビット コンピューターであるアテナの磁気増幅器とトランジスタのどちらを採用するかについて議論していました。 クレイは、技術を直接比較するために 2 つの同等のコンピューターを構築しました。Magstec (磁気スイッチ テスト コンピューター) は磁気増幅器を使用し、Transtec (トランジスタ テスト コンピューター) はトランジスタを使用しました。 Magstec のパフォーマンスはわずかに優れていましたが、トランジスタが未来の波であることが明らかになってきました。 そこでスペリー・ランドはトランジスタから Univac Athena コンピュータを構築し、マグアンプをコンピュータの電源内部のマイナーな機能に追いやった。

ヨーロッパでも 、トランジスタは磁気アンプと戦っていました。 たとえば、英国のフェランティ社のエンジニアは、コンピューター用の磁気増幅回路を開発しました。 しかし、トランジスタの方が増幅の信頼性が高いことがわかり、磁気アンプをトランスとトランジスタを組み合わせたものに置き換えました。 彼らはこの回路をニューロンと呼びました。これは、入力が閾値を超えた場合に出力を生成するためであり、生物学的なニューロンに似ています。 Neuron は、Ferranti の Sirius および Orion ビジネス コンピューターの中心となりました。

もう 1 つの例は、1958 年のポーランドの EMAL-2 コンピューターです。このコンピューターでは、100 本の真空管とともに磁気コア ロジックが使用されていました。 この 34 ビット コンピューターは、ポーランド初の真に生産性の高いデジタル コンピューターでした。 コンパクトではありましたが、処理が遅く、1 秒あたり 150 程度の操作しか実行できませんでした。

そしてソビエト連邦では、1954 年の 15 ビット LEM-1 コンピューターで 3,000 個のフェライト論理素子 (16,000 個のセレン ダイオードとともに) が使用されていました。 1 秒あたり 1,200 回の加算を実行できます。

フランスでは、磁気増幅器は CAB 500 (Calculatrice Arithmétique Binaire 500) で使用され、1960 年に Société d'Electronique et d'Automatisme (SEA) という会社によって科学的および技術的用途のために販売されました。 この 32 ビットの卓上サイズのコンピューターには、トランジスタと真空管電源とともに、Symmag と呼ばれる磁気論理素子が使用されていました。 CAB 500 は、Fortran、Algol、または SEA 独自の言語である PAF (Programmation Automatique des Formules) でプログラムされるだけでなく、卓上計算機としても使用できます。

この時代の一部のコンピューターは、複雑な形状のマルチアパーチャ コアを使用して論理関数を実装していました。 1959 年、ベル研究所のエンジニアは、ラディックと呼ばれるはしご型の磁気素子を開発しました。これは、さまざまな「段」に信号を送信することによって論理機能を実装しました。 この装置は後にいくつかの原子炉安全システムで使用されました。

これらの方針に沿ったもう 1 つのアプローチは、Biax 論理要素と呼ばれるもので、2 つの軸に沿って穴のあるフェライト キューブです。 もう 1 つはトランスフラクサーと呼ばれるもので、2 つの円形の開口部がありました。 1961 年頃、スタンフォード研究所の技術者は、このような多開口磁気デバイスを使用して、米国空軍向けの全磁気ロジック コンピューターを構築しました。 マウスや現代のコンピューター ユーザー インターフェイスの多くを発明したことで有名なダグ エンゲルバートは、このコンピューターの主要なエンジニアでした。

当時のコンピューターの中には、磁気コアとトランジスタを組み合わせて使用​​するものもありました。 そのアイデアは、当時高価だったトランジスタの数を最小限に抑えることでした。 コア トランジスタ ロジック (CTL) と呼ばれるこのアプローチは、1959 年に導入された珍しい 39 ビット語長の小型システムであるブリティッシュ エリオット 803 コンピューターで使用されました。 1960 年のバロウズ D210 磁気コンピュータは、航空宇宙用途向けに設計されたわずか 35 ポンド (約 16 キログラム) のコンパクトなコンピュータで、やはりコア トランジスタ ロジックを使用していました。

1966 年の IBM System/360 のこのボード [上] には、ワイヤーが張られた小さなフェライト リングを利用したマシンの磁気コア メモリの一部が示されています [下]。上: Maximilian Schönherr/picture-alliance/dpa/AP ; 下: シーラ・テリー/ラザフォード・アップルトン研究所/科学情報源

コアトランジスタロジックは、宇宙アプリケーションで特に人気がありました。 Di/An Controls という会社は一連の論理回路を製造し、「ほとんどの宇宙船には論理回路が搭載されている」と主張しました。 同社のピコビットは、1964 年に「宇宙で最高のビット」として宣伝された、競合するコア トランジスタ ロジック製品でした。 NASA のアポロ誘導コンピューターの初期のプロトタイプはコア トランジスタ ロジックで構築されましたが、1962 年に MIT の設計者は危険を伴う集積回路への切り替えを行いました。

一部の「完全にトランジスタ化された」コンピューターでさえ、あちこちで磁気アンプを使用していました。 1958 年の MIT TX-2 はテープ ドライブ モーターの制御に磁気アンプを使用しましたが、1959 年に発売された IBM 7090 と 1964 年に発売された人気の IBM System/360 メインフレームは、電源の調整に磁気アンプを使用していました。 Control Data Corp. の 1960 年の 160 ミニコンピューターでは、コンソール タイプライターに磁気増幅器が使用されていました。 磁気アンプは 1960 年の Univac LARC スーパーコンピュータの論理回路には遅すぎましたが、コア メモリの駆動に使用されました。

1950年代には、米海軍の技術者らは磁気増幅器を「新星」であり「戦後エレクトロニクスの驚異」の一つと呼んでいた。 1957 年には磁気増幅器に関するカンファレンスに 400 人以上の技術者が参加していましたが、トランジスタやその他の半導体が主流となった 1960 年代には、これらのデバイスへの関心は徐々に低下していきました。

しかし、これらのデバイスは歴史のゴミの山になる運命にあると誰もが考えていたずっと後、マグアンプは新しい用途を発見しました。 1990 年代半ば、パーソナル コンピューターの ATX 規格では、慎重に調整された 3.3 ボルトの電源が必要でした。 磁気アンプはこの電圧を制御するための安価で効率的な方法であることが判明し、磁気アンプはほとんどの PC 電源の重要な部分になりました。 以前と同様に、この磁気アンプの復活は長くは続きませんでした。DC-DC レギュレータは、現代の電源において磁気アンプに大きく取って代わりました。

全体として、磁気アンプの歴史は約 1 世紀にわたり、普及と消滅を繰り返してきました。 現在製造されている電子ハードウェアの中でマグアンプを見つけるのは難しいでしょうが、おそらく量子コンピューティングや風力タービン、電気自動車などの新しいアプリケーションによって、それらに再び命が吹き込まれるかもしれません。