حاسوب TI العلمي المتقدم

الحاسوب العلمي المتقدم ( ASC ) هو حاسوب فائق صممته وصنعته شركة تكساس إنسترومنتس (TI) بين عامي 1966 و1973. ^{[ 1 ] [ 2 ]} دعمت وحدة المعالجة المركزية (CPU) في حاسوب ASC معالجة المتجهات ، وهي تقنية لتحسين الأداء كانت أساسية لأدائه العالي. كان حاسوب ASC، إلى جانب حاسوب STAR-100 الفائق من شركة Control Data Corporation (الذي طُرح في العام نفسه)، أول حاسوبين يتميزان بمعالجة المتجهات. مع ذلك، لم يُستغل كامل إمكانات هذه التقنية في حاسوبي ASC وSTAR-100 بسبب عدم كفاية فهمها؛ بل كان حاسوب Cray-1 الفائق من شركة Cray Research ، الذي أُعلن عنه عام 1975، هو الذي حقق معالجة المتجهات بشكل كامل ونشرها على نطاق واسع. أدى نجاح تطبيق معالجة المتجهات في حاسوب Cray-1 إلى تصنيف حاسوب ASC (وحاسوب STAR-100) ضمن الجيل الأول من معالجات المتجهات، بينما صُنِّف حاسوب Cray-1 ضمن الجيل الثاني.

بدأت شركة TI كقسمٍ من شركة Geophysical Service Incorporated (GSI)، وهي شركةٌ تُجري مسوحاتٍ زلزالية لشركات التنقيب عن النفط . أصبحت GSI الآن شركةً تابعةً لشركة TI، ورغبت TI في تطبيق أحدث تقنيات الحاسوب على معالجة وتحليل مجموعات البيانات الزلزالية. بدأ مشروع ASC باسم الحاسوب الزلزالي المتقدم . ومع تطور المشروع، قررت TI توسيع نطاقه. استُبدلت كلمة "زلزالي" بكلمة "علمي" في الاسم، مما سمح للمشروع بالاحتفاظ بتسمية ASC.

في الأصل، تم تطوير البرمجيات، بما في ذلك نظام التشغيل ومترجم لغة فورتران ، بموجب عقد مع شركة كمبيوتر يوسيجر ، تحت إشراف جورج ر. تريمبل الابن ^{[ 3 ] [ 4 ]،} ولكن استحوذت عليها شركة تكساس إنسترومنتس لاحقًا. وقامت جامعة ساوثرن ميثوديست في دالاس بتطوير مترجم لغة ألغول لجهاز ASC.

استند نظام ASC إلى ذاكرة مشتركة واحدة عالية السرعة، يتم الوصول إليها بواسطة وحدة المعالجة المركزية وثماني وحدات تحكم في قنوات الإدخال/الإخراج ، وذلك في بنية مشابهة لنظام CDC 6600 الرائد من سيمور كراي . وكان الوصول إلى الذاكرة يتم حصريًا تحت سيطرة وحدة التحكم بالذاكرة (MCU). وكانت وحدة التحكم بالذاكرة عبارة عن شبكة متوازية ثنائية الاتجاه، 256 بت لكل قناة، تدعم ما يصل إلى ثمانية معالجات مستقلة، مع قناة تاسعة للوصول إلى "الذاكرة الرئيسية" (المعروفة باسم " الذاكرة الموسعة "). كما عملت وحدة التحكم بالذاكرة كوحدة تحكم في ذاكرة التخزين المؤقت، موفرةً وصولاً عالي السرعة إلى ذاكرة شبه موصلة لمنافذ المعالج الثمانية، وتتولى جميع الاتصالات بمساحة العناوين 24 بت في الذاكرة الرئيسية. صُممت وحدة التحكم بالذاكرة للعمل بشكل غير متزامن، مما يسمح لها بالعمل بسرعات متنوعة والتوسع عبر عدد من نقاط الأداء. فعلى سبيل المثال، يمكن بناء الذاكرة الرئيسية من ذاكرة أساسية أبطأ ولكنها أقل تكلفة ، على الرغم من أن هذا لم يُستخدم عمليًا. في أقصى سرعة، كان بإمكانها الحفاظ على معدلات نقل بيانات تصل إلى 80 مليون كلمة من 32 بت في الثانية لكل منفذ، أي بمعدل نقل إجمالي يبلغ 640 مليون كلمة في الثانية. وقد تجاوز هذا بكثير قدرات أسرع أنواع الذاكرة في ذلك الوقت.

كانت وحدة المعالجة المركزية (CPU) تعمل بدورة ساعة مدتها 60  نانوثانية (  بتردد ساعة 16.67 ميجاهرتز)، وقد بُنيت دوائرها المنطقية من دوائر متكاملة ذات 20 بوابة مقترنة بالباعث، طورتها شركة TI في الأصل للحاسوب العملاق ILLIAC IV . تميزت وحدة المعالجة المركزية ببنية وتنظيم متقدمين للغاية بالنسبة لعصرها، حيث دعمت تعليمات حسابية ورياضية دقيقة تعمل على الكميات العددية والمتجهات والمصفوفات. اعتمدت مرافق معالجة المتجهات على بنية ذاكرة-إلى-ذاكرة؛ حيث تُقرأ معاملات المتجهات من الذاكرة، ويُكتب المتجه الناتج إليها. يمكن أن تحتوي وحدة المعالجة المركزية على مسار متجه واحد أو اثنين أو أربعة، مما يسمح لها بإنتاج من متجه واحد إلى أربعة متجهات في كل دورة، وذلك حسب عدد مسارات المتجهات المُثبتة. استُخدمت مسارات المتجهات أيضًا للتعليمات العددية، ويمكن لكل مسار الاحتفاظ بما يصل إلى 12 تعليمة عددية قيد التنفيذ في وقت واحد. سمحت وحدة المعالجة المركزية، بأربعة مسارات، بتنفيذ ما يصل إلى 36 تعليمة إجمالاً عبر وحدة المعالجة المركزية بأكملها.

كان المعالج يحتوي على 48 مسجلاً من 32 بت، وهو عدد كبير جدًا في ذلك الوقت. استُخدم 16 مسجلاً منها للعنونة، و16 للعمليات العددية، و8 لإزاحات الفهرسة، و8 لتحديد المعلمات المختلفة لتعليمات المتجهات. نُقلت البيانات بين المسجلات والذاكرة بواسطة تعليمات التحميل/التخزين، التي كانت قادرة على نقل ما بين 4 و64  بت (مسجلين) في المرة الواحدة.

كانت معظم معالجات المتجهات محدودة النطاق الترددي للذاكرة، أي أنها كانت تعالج البيانات بسرعة تفوق سرعة استرجاعها من الذاكرة. ولا تزال هذه مشكلة رئيسية في تصميمات SIMD الحديثة، ولذلك بُذلت جهود كبيرة لزيادة إنتاجية الذاكرة في تصميمات الحواسيب الحديثة (وإن لم تُكلل بالنجاح في الغالب). في معالج ASC، تم تحسين هذا الأمر نوعًا ما باستخدام وحدة استباقية تتنبأ بعمليات الوصول القادمة إلى الذاكرة وتُحمّلها في السجلات العددية بشكل غير مرئي، وذلك باستخدام واجهة ذاكرة في وحدة المعالجة المركزية تُسمى وحدة تخزين الذاكرة المؤقتة (MBU).

كان "المعالج الطرفي" نظامًا منفصلاً مُخصصًا بالكامل لتشغيل نظام التشغيل والبرامج العاملة ضمنه بسرعة، بالإضافة إلى تزويد وحدة المعالجة المركزية (CPU) بالبيانات. يتكون المعالج الطرفي من ثمانية "معالجات افتراضية" (VPs)، صُممت لمعالجة التعليمات والعمليات الحسابية الأساسية للأعداد الصحيحة فقط. يحتوي كل معالج افتراضي على عداد برنامج وسجلات خاصة به، وبالتالي يمكن للنظام تشغيل ثمانية برامج في الوقت نفسه، ولا يحده سوى الوصول إلى الذاكرة. يسمح تشغيل ثمانية برامج للنظام بترتيب تنفيذ البرامج على وحدة المعالجة المركزية بناءً على البيانات المتاحة على ناقل الذاكرة في ذلك الوقت، مما يقلل من "وقت التوقف" حيث تنتظر وحدة المعالجة المركزية البيانات من الذاكرة.

تضمنت وحدة المعالجة المركزية أيضًا مجموعة من أربعة وستين سجل اتصالات (CRs) سعة 32 بت. خزنت سجلات الاتصالات الحالة المطلوبة للاتصال بين الأجزاء المختلفة من وحدة التحكم في الإشارات (ASC): وحدة المعالجة المركزية، ووحدات المعالجة الافتراضية، ووحدات التحكم في القنوات .

تتضمن مجموعة تعليمات ASC تعليمة عكس البتات، والتي صُممت لتسريع حساب تحويلات فورييه السريعة (FFT). وبحلول وقت إنتاج ASC، كانت خوارزميات FFT أفضل قد طُوّرت لا تتطلب هذه العملية. عرضت شركة TI مكافأة لأول شخص يكتشف استخدامًا صحيحًا لهذه التعليمة، ولكن لم يحصل عليها أحد.

عندما أُتيحت أجهزة ASC لأول مرة في أوائل سبعينيات القرن الماضي، تفوقت على جميع الأجهزة الأخرى تقريبًا، بما في ذلك CDC STAR-100 ، وفي ظل ظروف معينة، تساوت مع أداء جهاز ILLIAC IV الفريد من نوعه . مع ذلك، لم يُركّب منها سوى سبعة أجهزة عند الإعلان عن Cray-1 عام 1975. كرّس Cray-1 معظم تصميمه للوصول السريع والمستدام إلى الذاكرة، بما في ذلك أكثر من مليون كلمة من ذاكرة أشباه الموصلات بحجم 64 بت، وزمن دورة يبلغ خُمس زمن دورة ASC (12.5 نانوثانية). على الرغم من أن ASC كان يتميز بتصميم قابل للتوسيع بشكل أكبر من بعض النواحي، إلا أن السرعة هي الأهم في سوق الحواسيب العملاقة، وكان Cray-1 أسرع بكثير. توقفت مبيعات ASC فجأة، وعلى الرغم من تصميم نسخة مُحسّنة منه بزمن دورة يبلغ خُمس زمن دورة النسخة الأصلية، قررت شركة Texas Instruments الانسحاب من السوق. 

كان النموذج الأولي لنظام ASC #1 نظامًا أحادي الأنبوب، وتم نقله إلى أوستن، تكساس، بعيدًا عن موقع المصنع الرئيسي لشركة TI لأسباب تتعلق بحماية المعلومات السرية. لاحقًا، تم تطويره إلى نظام ثنائي الأنبوب وأُعيد تسميته إلى ASC #1A. ثم استخدمته شعبة GSI التابعة لشركة TI لمعالجة البيانات الزلزالية. تم تأجير نظام ASC #2 لشركة شل للنفط في هولندا، واستُخدم أيضًا لمعالجة البيانات الزلزالية. تم تركيب نظام ASC #3 في ترسانة ريدستون في هانتسفيل، ألاباما، لتطوير تقنية اعتراض الصواريخ الباليستية. مع معاهدة سالت ، أُعيد نشر النظام لاحقًا إلى فيلق المهندسين بالجيش الأمريكي في فيكسبيرغ، ميسيسيبي، لتحليل إجهاد السدود. استُخدم نظام ASC #4 من قِبل الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA) في جامعة برينستون لتطوير نماذج التنبؤ بالطقس. تم تركيب نظامي ASC #5 و#6 في المصنع الرئيسي لشركة TI في أوستن، واستُخدما أيضًا من قِبل شعبة GSI لمعالجة البيانات الزلزالية. ذهب ASC #7 إلى مختبر الأبحاث البحرية في واشنطن العاصمة ^{[ 5 ]} لإجراء دراسات فيزياء البلازما.

• بيتر إم. كوج (1981). بنية الحواسيب ذات خطوط الأنابيب . تايلور وفرانسيس . الصفحات  159-162 .

• TI ASC: بنية حاسوب فائق عالية المرونة وقابلة للتعديل
• وثائق TI ASC متوفرة على موقع bitsavers.org