مشروع أنظمة الحاسوب المتقدمة لشركة IBM

طرحت شركة IBM أول حاسوب عملاق لها ، وهو IBM 7030 Stretch ، في مايو 1961. إلا أنها اضطرت لسحبه من السوق بعد أن أظهرت الاختبارات التي أُجريت في مختبر لوس ألاموس العلمي ، العميل الأول ، ضعف أدائه في الواقع العملي. وعلى الفور تقريبًا، أطلقت IBM مشروعين تطويريين: المشروع X في مختبر IBM بوغكيبسي، والمشروع Y في مركز أبحاث IBM توماس ج. واتسون . كان المشروع X مُكلفًا بتصميم جهاز يعمل بسرعة تتراوح بين 10 و20 ضعف سرعة Stretch، بينما كان المشروع Y مُكلفًا بتصميم جهاز أسرع منه بمئة ضعف. ^{[ 1 ]}

في ربيع عام 1962، أعلنت شركة Control Data Corporation (CDC) أنها قامت بتركيب جهازَي حاسوب في مختبر لورانس للإشعاع ، وحصلت على عقد لتصنيع جهاز ثالث بتصميم أكثر قوة. أُعلن رسميًا عن هذا الجهاز الجديد في أغسطس 1963 باسم CDC 6600 ، مما دفع الرئيس التنفيذي لشركة IBM، توماس ج. واتسون الابن، إلى كتابة مذكرة شهيرة ^{[ 2 ]} يتساءل فيها كيف استطاعت هذه الشركة الصغيرة إنتاج أجهزة تتفوق في الأداء على أجهزة IBM. ^{[ 1 ]}

في اجتماع عُقد في سبتمبر 1963، قررت شركة IBM تعزيز الفئة العليا لما كان يُعرف آنذاك باسم خط الإنتاج الجديد (NPL). وكُلِّف مشروع X بتنفيذ مجموعة تعليمات NPL ، ليصبح بذلك جهازًا متطورًا ضمن هذه الفئة. وعندما أُطلِق خط الإنتاج الجديد (NPL) في عام 1964 تحت اسم System/360 ، أصبح مشروع X يُعرف باسم Model 92، ثم أُعيدت تسميته لاحقًا إلى Model 91. وفي نهاية المطاف، بيع حوالي اثني عشر جهازًا من سلسلة Model 90. ^{[ 1 ]}

لم يُوجَّه مشروع Y قط لاستخدام مختبر الفيزياء الوطني (NPL)، إذ كان مشروعًا طويل الأمد موجهًا حصريًا للسوق العلمي. أُسندت مهمة التطوير إلى جاك بيرترام وفريقه للحواسيب التجريبية والبرمجة، وبدأ العمل عليه بجدية في أواخر عام 1963. استعان بيرترام بجون كوك ، وفرانسيس ألين ، وبرايان راندل ، وهيرب شور، وإدوارد هـ. سوسينغوث ، وغيرهم. طوّر شور مجموعة التعليمات الأولية، وجنّد طالبته السابقة، لين كونواي ، للعمل على محاكاة النظام. ^{[ 1 ]}

حقق نظام System/360 نجاحًا باهرًا وفوريًا، إلا أن مشاكل خط الإنتاج أعاقت عمليات التسليم، وكرّست الشركة جهودها لحل هذه المشاكل. في هذه الأثناء، أعلنت شركة CDC أنها ستطرح جهازًا جديدًا يفوق أداء جهاز 6600 بعشرة أضعاف. كان واتسون مقتنعًا بأن مجموعة تعليمات 360 لن تكون مناسبة للتصميم الجديد، وكان قلقًا من أن يؤدي الاضطراب في المختبرات بسبب مشاكل 360 إلى إبطاء عملية التطوير. في ربيع عام 1965، وافق على إنشاء قسم جديد في كاليفورنيا ليكون أقرب إلى عملائهم في مختبرات الأسلحة. تم شراء مبنى في ساني فيل، كاليفورنيا، عام 1965، وأُنشئ ليكون مقرًا لأنظمة الحوسبة المتقدمة لشركة IBM. وتولى ماكس بالي إدارة المختبر. ^{[ 3 ]}

في اجتماع توجيهي عُقد في أغسطس 1965، قدّم كلٌّ من بالي وبرترام وشور عروضًا توضيحية حول التصميم حتى ذلك الحين. سيستخدم الجهاز طول كلمة 48 بت، كونه المعيار المُعتمد للحوسبة العلمية. سيتمتع الجهاز بدورة ساعة تبلغ 10 نانوثانية، أي أسرع بحوالي 10 مرات من جهاز 6600، مع ست أو سبع دورات داخلية لكل ساعة. ستكون وحدات الحساب والمنطق (ALUs) التي تُنفّذ معظم العمليات الحسابية مُجزّأة ، كما هو الحال في جهاز 6600، وستُرسل تعليمات متعددة في كل دورة. سيتم تحسين أداء التفرع باستخدام مُخزن مؤقت يبدأ بتنفيذ كلا جانبي التفرع. ^{[ 3 ]}

قدّم هاروود كولسكي عرضًا تقديميًا حول التصاميم المتنافسة المختلفة، بينما تحدث جين أمدال وتشن تزي-تشيانغ عن عملهما على جهاز 360 موديل 92 عالي الأداء. كان كولسكي قد عمل في لوس ألاموس لمدة سبع سنوات قبل انضمامه إلى مشروع ستريتش، بينما غادر أمدال شركة آي بي إم بعد أن لم يُرشّح لقيادة تطوير ستريتش، لكنه عاد إلى قسم الأبحاث في آي بي إم عام 1960 وانضم إلى مشروع إكس. ^{[ 3 ]} في أواخر عام 1964، شغل أمدال منصبًا تدريسيًا في جامعة ستانفورد ، رغبةً منه في العودة إلى الساحل الغربي. في يناير 1965، مُنح زمالة آي بي إم لعمله على موديل 92. وبصفته زميلًا، كان يحق لأمدال العمل في أي منشأة تابعة لشركة آي بي إم يختارها، وقرر الانضمام إلى جمعية الحاسبات الأمريكية (ACS) بدعوة من بوب إيفانز. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

حتى في هذا الاجتماع المبكر، طرح أمدال فكرة أن جعل نظام ACS متوافقًا مع جهاز 360 سيكون أكثر منطقية، كما كان الحال مع مشروع X. ورغم أنه قد يعمل بسرعة أبطأ قليلاً من نظام ACS، ويعود ذلك أساسًا إلى استخدامه ستة عشر مسجلاً من نوع 32 بت بدلاً من اثنين وثلاثين مسجلاً من نوع 48 بت في التصميم الجديد، إلا أنه سيوفر لعملاء الطراز 92 مسارًا للترقية إلى أداء أعلى بكثير، والاستفادة من جميع برامج جهاز 360، وخاصة تقنية المترجم المطورة لهذا الجهاز. ^{[ 3 ]}

في أوائل عام 1966، تم الانتهاء من تصميم مشروع Y ليصبح ACS-1، وكان التغيير الرئيسي الوحيد هو إزالة تنسيق الفاصلة العائمة الموسع 192 بت. في عام 1966، تم بناء مبنى جديد بمساحة 38000 قدم مربع (3500 متر مربع ⁾ في 2800 طريق ساند هيل في مينلو بارك، كاليفورنيا ، بالقرب من مسرع ستانفورد الخطي ، وانتقل المشروع إليه في أواخر العام. وشهد التصميم تغييرًا هامًا خلال هذه الفترة. في الأصل، كان المترجم مسؤولاً عن نقل التعليمات من ذاكرة أساسية كبيرة أو ذاكرة رقيقة الأغشية إلى ذاكرة تخزين مؤقتة أصغر من ذاكرة الوصول العشوائي الثابتة (على الرغم من أن هذا المصطلح لم يكن مستخدمًا في ذلك الوقت) داخل وحدة المعالجة المركزية. بعد مراجعة النظام، خلص شور وديك أرنولد إلى أنه لن ينجح، وقررا إعادة تنفيذه كنظام أحادي المستوى مع تخزين مؤقت للأجهزة بسعة 32 أو 64 كيلو كلمة. ^{[ 6 ]} 

من المفاهيم الأخرى التي طُوّرت لنظام ACS جدولة التعليمات الديناميكية (DIS). احتوت وحدة الحساب والمنطق (ALU) ووحدات الفهرسة، المسؤولة عن حساب العناوين، على مخازن مؤقتة بستة خانات، تُمكّنها من اختيار تعليمتين لتنفيذهما خارج الترتيب. سمح هذا للنظام بتنفيذ التعليمات المُدرجة في قائمة الانتظار بينما تنتظر التعليمات السابقة البيانات من الذاكرة أو نتائج العمليات الحسابية السابقة. ثم تُعاد مخرجات هذه العمليات الحسابية، التي تُنفّذ خارج الترتيب، إلى الذاكرة في الوقت المناسب، مما يُوحي بأن كل شيء قد نُفّذ بالترتيب الذي وُجد به في شفرة الآلة . طوّرت لين كونواي، التي عُيّنت لتطوير محاكاة برمجية لنظام ACS، نظامًا يستخدم مصفوفة بتات لتتبع التعليمات الجاهزة للتنفيذ والتعليمات المنتظرة. ^{[ 6 ]}

باستخدام المحاكي، قارن كونواي أداء عدد من مهام الحوسبة عالية الأداء مع أجهزة IBM 7090 وCDC 6600 و S/360 Model 91. وبالمقارنة مع جهاز 7090، وهو جهاز IBM العلمي الأقدم، كان أداء ACS-1 أسرع بـ 2500 مرة في حسابات ديناميكا الموائع اللاغرانجية (LHC). أما في برنامج محاكاة انتشار النيوترونات (ND) الأكثر تعقيدًا، فقد تفوق على جهاز 7090 بما يقارب 1300 مرة، وكان أسرع بحوالي 60 مرة من جهاز 6600. ^{[ 7 ]}

قاد كلٌّ من ألين وكوك وجيم بيتي تطوير مُجمِّعات البرامج لهذا الجهاز. وقد مثّل هذا جهدًا كبيرًا نظرًا لأن النظام كان مُصمَّمًا ليكون متطورًا للغاية ويُحسِّن الشيفرة البرمجية بشكلٍ كبير. ومن بين ميزاته القدرة على فكّ الحلقات، وجدولة التعليمات وفقًا لمفهوم الكتلة الأساسية ، وفصل التحسينات البرمجية عن تلك المُعتمدة على النظام الأساسي. وكان من المُقرَّر استخدام مُجمِّع البرامج من قِبل كلٍّ من واجهة PL/I الأمامية، بالإضافة إلى نسخة مُوسَّعة من لغة Fortran IV . ^{[ 5 ]}

في مراجعة للمشروع في نوفمبر 1967، وضع هيرب شور خطة تسليم تقضي بشحن أول جهاز في عام 1971. ^{[ 8 ]} وقدّرت الخطة أن نظام التشغيل سيحتاج إلى أكثر من 100,000 سطر من أكواد فورتران والتجميع، ونحو 70,000 سطر للمترجمات والمجمع وروتينات المكتبة. وقدّر تكلفة التطوير بـ 15 مليون دولار (ما يعادل 145 مليون دولار في عام 2025 ) للبرمجيات وحدها. ^{[ 5 ]}  

واصل أمدال سعيه الحثيث لإصدار نسخة من الجهاز متوافقة مع جهاز إكس بوكس ​​360. في يناير 1967، طلب رالف ل. بالمر من جون باكوس وروبرت كريسي وهاروود كولسكي مراجعة المشروع وفكرة أمدال. وخلص كولسكي إلى أن إصدار نسخة متوافقة مع جهاز إكس بوكس ​​360 سيكون بالغ الصعوبة، وأشار إلى أن نظام التحكم الآلي (ACS) كان موجهاً لسوق جهاز CDC 6600، وليس لأجهزة إكس بوكس ​​360، لذا إذا كان العميل مهتماً بالتوافق، فإن التوافق مع جهاز 6600 سيكون أكثر فائدة. وفي الشهر التالي، دافع أمدال مجدداً عن التوافق مع جهاز إكس بوكس ​​360 لأسباب تسويقية. ^{[ 5 ]}

أدت حجج أمدال المستمرة بشأن توافق جهاز إكس بوكس ​​360 إلى توتر علاقته مع بيرترام. رد بيرترام بعزله ومنع أي شخص من التحدث إليه. فكلما زاره أحد، كان يصل شخص آخر في غضون دقائق ويستدعي الزائر الأول إلى اجتماع. ^{[ 9 ]} في نفس الوقت تقريبًا، تم استبعاد جون إيرل، مصمم الدوائر وعضو آخر في فريق ACS، من الفريق الرئيسي بسبب أسلوب عمله الذي كان يسبب احتكاكًا داخل الفريق. كان إيرل قد تعرض للضرب في شجار في فيلادلفيا، ^{[ 9 ]} وعندما عاد من المستشفى، عيّنه بيرترام للعمل مع أمدال، على ما يبدو كنوع من العقاب. ^{[ 5 ]}

جاءت هذه الخطوة بنتائج عكسية كارثية، إذ تمكن أمدال خلال الشهر التالي من إقناع إيرل بإمكانية إنتاج نسخة متوافقة مع جهاز 360، فشرع إيرل في تصميمها. وكانت النتيجة حاسوب أمدال-إيرل، أو AEC/360. وباستخدام العديد من المفاهيم الواردة في حاسوب ACS-1، أنتجا تصميمًا أبطأ منه قليلًا، لكن تكلفته ربما 75% فقط، إذ احتوى على 90,000 بوابة فقط بدلًا من 270,000 (تتطلب البوابة الواحدة حوالي خمسة ترانزستورات باستخدام منطق ECL في ذلك الوقت). ويعود جزء كبير من هذا الانخفاض إلى قلة عدد المسجلات وصغر حجمها، والتي شكلت نصف عدد البوابات في حاسوب ACS-1. وكان من المقرر تعويض انخفاض الأداء الناتج عن قلة المسجلات بساعة أسرع بتردد 8 نانوثانية، وهو ما أصبح ممكنًا بفضل تصميم داخلي مُبسط. ^{[ 5 ]}

في ديسمبر 1967، أُرسل كولسكي للقاء أمدال للحصول على وصف أكثر تفصيلاً للتصميم المقترح. ^{[ 8 ]} في نفس الوقت تقريبًا، بدأ أمدال بالتواصل مع أشخاص داخل شركة IBM لإبلاغهم بالتصميم الجديد. ومع انتشار خبر الفكرة في قسم تطوير الأنظمة في نيويورك، بدأ نائب رئيس القسم، إريك بلوخ، بتنظيم مراجعة داخلية. استجاب فريق ACS بإعادة تصميم "متسرعة" قلّصت عدد البوابات من 270,000 إلى 200,000 دون تأثير يُذكر على الأداء، مما يشير بقوة إلى أن التصميم كان مُبالغًا فيه. ^{[ 10 ]}

اختار بلوخ كارل كونتي من شركة آي بي إم بوكيبسي لإجراء المراجعة، التي جرت في مارس 1968. وقدّم أمدال تقديرات للأداء بناءً على حسابات يدوية لعدد الدورات. وافق كونتي على حجج أمدال بأن أداء AEC/360 سيكون أسرع بخمس مرات من ACS-1 في اختبارات الأعداد الصحيحة، وأبطأ بمرتين ونصف في اختبارات الأعداد العشرية، وأن نظام التفرع المعقد في ACS لا يُحسّن الأداء إلا بنسبة تتراوح بين 10 و20% كحد أقصى، ويمكن تكييفه مع AEC إذا لزم الأمر. لكن النقطة الأساسية التي أثارها كونتي هي أنه إذا كان نظام ACS يعتمد بشكل كبير على المترجمات لتحقيق أدائه، فإن نقل هذا الكود إلى جهاز آخر قد يؤدي إلى نتائج مختلفة تمامًا، وهذا يُعدّ عيبًا. ^{[ 11 ]} كما خلص إلى أنه على الرغم من أن AEC سيقترب من 108,000 بوابة، إلا أنه لا يزال نصف تعقيد ACS. ^{[ 10 ]}

أُجريت مراجعة نهائية في أبريل، لكنها كانت موجزة ويبدو أنها حُسمت مسبقًا. في مايو، أعلنت شركة IBM إلغاء مشروع ACS-1 والمضي قدمًا في مشروع AEC/360، الذي سيُعرف لاحقًا باسم ACS-360. ورغم أن تصميم أمدال المنافس كان له دور كبير في ذلك، إلا أنه لم يكن السبب الوحيد. فقد جادل أمدال أيضًا بأن مبلغ 15 مليون دولار سيُستثمر بشكل أفضل في تحسين أنظمة التشغيل على جهاز 360، مما سيُحسّن المجموعة بأكملها، وليس فقط جهاز AEC. ولكن ربما كانت الضربة الأقوى التي تلقاها مشروع ACS هي النجاح المستمر لجهاز 360. ففي يناير 1968، تسلّمت وكالة ناسا جهاز 360 من طراز 95، والذي وصفته IBM بأنه "أسرع وأقوى حاسوب قيد الاستخدام حاليًا". ^{[ 11 ]} ورغم أن أداء ACS كان سيتفوق على طراز 95 بفارق كبير، إلا أن واتسون الابن كان يُفكّر في ذلك الوقت بالانسحاب نهائيًا من سوق الحواسيب العملاقة. ^{[ 12 ]}

تشير العديد من المقالات الاستعادية حول مشروع ACS إلى أن الجهاز الأصلي كان سيصبح رائدًا عالميًا. وتوضح كونواي قائلةً: "بالنظر إلى الماضي، بات من المسلّم به الآن أنه لو تم بناء ACS-1 بنجاح، لكان الحاسوب العملاق الأبرز في تلك الحقبة." ^{[ 8 ]} وقد استند قرار إلغاء التصميم الأصلي في معظمه إلى عدد الدورات، الذي لم يُختبر لأن المحاكي الذي طورته لم يُعدّل لاستخدام مجموعة التعليمات الجديدة. ^{[ 8 ]} وبالمثل، قُبل ادعاء أمدال بدورة مدتها 8 نانوثانية في مراجعة كونتي، على الرغم من أن مارك سموثرمان يرى أنه غير واقعي. ^{[ 11 ]}

غادر معظم أعضاء فريق الإدارة العليا لشركة ACS، وتولى أمدال القيادة. استمر تطوير نظام AEC/360 وفقًا للخطوط المقترحة، وكان التغيير الرئيسي الوحيد هو إدخال إعادة تسمية السجلات العامة كجزء من نظام التنفيذ خارج الترتيب، وتغييرات في نظام التنبؤ بالتفرع ليتوافق مع مجموعة تعليمات 360. ^{[ 11 ]}

أثناء حساب تكلفة الجهاز، خلص أمدال إلى استحالة تحقيق أرباح من مبيعاته. شكل هذا خطرًا جسيمًا على الشركة، إذ يُمكن اعتبار طرح جهاز متطور مضمون الخسارة سلوكًا منافيًا للمنافسة، ومحاولةً للاستحواذ على السوق من شركات مثل CDC. واجهت IBM مشكلة مماثلة مع جهاز Stretch، ولكن مع مرور الوقت، تبيّن أن تكاليف البحث والتطوير في ذلك المشروع استُخدمت على نطاق واسع داخل الشركة، وإذا ما تم احتسابها، فإنها تُحقق ربحًا طفيفًا. ^{[ 13 ]} ولتمكين ACS/360 من تحقيق ربح أوضح، اقترح أمدال إنتاج ثلاثة نماذج من النظام الأساسي نفسه: ACS/360 الأصلي، ونموذج أصغر بأداء يُعادل ثلث الأداء، ونموذج أصغر يُعادل تسع الأداء ، والذي سيظل أسرع جهاز في تشكيلة IBM. ^{[ 11 ]} رُفض هذا الاقتراح. ^{[ 13 ]}

في مايو 1969، قررت الإدارة العليا لشركة IBM إلغاء المشروع برمته، ^{[ 11 ]} على ما يبدو بناءً على اقتراح أمدال. ^{[ 13 ]} ما كان يُفترض أن يكون مشروعًا لمنافسة جهاز CDC سريع التطور، امتدّ الآن لما يقارب عقدًا من الزمن، ولم يُظهر أي دليل يُذكر على إمكانية طرح جهاز في المدى القريب. ادّعى أمدال لاحقًا أن إلغاء المشروع كان في المقام الأول بسبب إخلاله بهيكل التسعير المُخطط له بعناية من قِبل IBM. كانت الشركة ككل تُدرك أن الأجهزة التي تتجاوز مستوى أداء مُعينًا ستُكبّدها خسائر، وأن طرح جهاز بسرعة جهاز ACS/360 سيتطلب تسعيره بطريقة تُجبر الشركة على خفض أسعار أجهزتها الأخرى. ^{[ 4 ]} كما ادّعى أنه سمع شائعات تُفيد بأن المشروع قد أُعدّ عمدًا للفشل حتى يُمكن استخدام التكنولوجيا في مشاريع أخرى، وخصم تكاليف البحث والتطوير من الضرائب. ^{[ 13 ]}

بعد فترة وجيزة من إعلان إلغاء المشروع، في أغسطس 1969، أعلنت شركة IBM عن جهاز IBM System/360 موديل 195 ، وهو نسخة مُعاد تصميمها من موديل 91 باستخدام دوائر متكاملة جعلته أسرع بمرتين من موديل 85 ، الذي كان آنذاك أسرع جهاز في المجموعة. ولتلبية احتياجات السوق الراقية، تم تشكيل فريق عمل متخصص في معالجة المتجهات في بوكيبسي. ^{[ 14 ]}

عندما أُلغي مشروع ACS، لم يكن العديد من المهندسين مهتمين بالعودة إلى حرم أبحاث IBM الرئيسي في نيويورك، ورغبوا في البقاء في كاليفورنيا. انتهى المطاف ببعضهم في مركز أبحاث محركات الأقراص الصلبة التابع لشركة IBM في سان خوسيه، كاليفورنيا ، بينما غادر آخرون لتأسيس شركة جديدة، هي شركة أنظمة الوصول المتعدد (MASCOR). فشلت هذه الشركة في جمع رأس المال وأُغلقت بعد بضعة أشهر فقط. ^{[ 14 ]} استقال أمدال في سبتمبر 1970 وأسس شركته الخاصة لتصنيع أجهزة متوافقة مع نظام 360، وقدم جهاز Amdahl 470/6 في عام 1975. أصبحت شركة أمدال موردًا رئيسيًا لأنظمة IBM المتوافقة حتى ثمانينيات القرن العشرين، بحصة سوقية بلغت 20% أو أكثر خلال سبعينيات وثمانينيات القرن العشرين. ^{[ 15 ]}

• سموثرمان، مارك ك.؛ سوسينغوث، إدوارد هـ.؛ روبيلين، راسل ج. (2016). "مشروع IBM ACS". حوليات IEEE لتاريخ الحوسبة . 38 (1): 60-74 . doi : 10.1109/MAHC.2015.50 .
• كونواي، لين (2011). "IBM-ACS: ذكريات ودروس مستفادة من مشروع حاسوب عملاق في ستينيات القرن العشرين" (ملف PDF) . الحوسبة الموثوقة والتاريخية: مقالات مهداة إلى برايان راندل بمناسبة عيد ميلاده الخامس والسبعين . سبرينغر-فيرلاغ. الصفحات 185-224 . 
• أسبري، بيل (24 سبتمبر 2000). "التاريخ الشفوي لجين أمدال" (ملف PDF) (مقابلة).