حواسيب مانشستر

كانت حواسيب مانشستر سلسلة مبتكرة من الحواسيب الإلكترونية ذات البرامج المخزنة ، طُوّرت خلال فترة الثلاثين عامًا بين عامي 1947 و1977 على يد فريق صغير في جامعة مانشستر ، بقيادة توم كيلبورن . ^{[ 1 ]} وشملت هذه الحواسيب أول حاسوب في العالم يعمل بنظام البرامج المخزنة ، وأول حاسوب في العالم يعمل بالترانزستور، وما كان يُعتبر أسرع حاسوب في العالم عند تدشينه عام 1962. ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

بدأ المشروع بهدفين: إثبات جدوى أنبوب ويليامز ، وهو شكل مبكر من ذاكرة الحاسوب يعتمد على أنابيب أشعة الكاثود القياسية ؛ وبناء جهاز يُستخدم لدراسة كيفية مساعدة الحواسيب في حل المسائل الرياضية. ^{[ 6 ]} شغّل أول جهاز من هذه السلسلة، مانشستر بيبي ، أول برنامج له في 21 يونيو 1948. ^{[ 2 ]} وباعتباره أول حاسوب في العالم ببرنامج مُخزّن، سرعان ما لفت بيبي، ومانشستر مارك 1 المُطوّر منه، انتباه حكومة المملكة المتحدة، التي تعاقدت مع شركة فيرانتي للهندسة الكهربائية لإنتاج نسخة تجارية منه. وكان الجهاز الناتج، فيرانتي مارك 1 ، أول حاسوب متعدد الأغراض مُتاح تجاريًا في العالم. ^{[ 7 ]}

أدى التعاون مع فيرانتي في نهاية المطاف إلى شراكة صناعية مع شركة الكمبيوتر ICL ، التي استفادت من العديد من الأفكار التي طُورت في الجامعة، لا سيما في تصميم سلسلة أجهزة الكمبيوتر 2900 الخاصة بها خلال سبعينيات القرن الماضي. ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}

صُمم جهاز مانشستر بيبي كمنصة اختبار لأنبوب ويليامز ، وهو شكل مبكر من ذاكرة الحاسوب، وليس كحاسوب عملي. بدأ العمل على الجهاز عام 1947، وفي 21 يونيو 1948، نجح الحاسوب في تشغيل أول برنامج له، والذي يتكون من 17 تعليمة كُتبت لإيجاد أكبر عامل صحيح للعدد 2^ ¹⁸ (262,144) عن طريق تجربة كل عدد صحيح من 2 ^{^18} - 1 نزولًا. استمر البرنامج لمدة 52  دقيقة قبل أن يُنتج الإجابة الصحيحة وهي 2 ^{^17} (131,072). ^{[ 11 ]}

كان طول جهاز "بيبي" 5.2 متر (17 قدمًا ) ، وارتفاعه 2.24 متر ( 7 أقدام و4 بوصات ) ، ووزنه يقارب طنًا واحدًا . احتوى على 550 صمامًا حراريًا أيونيًا - 300 ثنائي و250 خماسي - وكان يستهلك طاقة قدرها 3.5 كيلوواط. ^{[ 12 ]} نُشر خبر تشغيله الناجح في رسالة إلى مجلة "نيتشر" في سبتمبر 1948، ^{[ 13 ]} مما جعله أول حاسوب في العالم يعمل بنظام تخزين البرامج. ^{[ 14 ]} وسرعان ما تطور إلى جهاز أكثر عملية، وهو "مانشستر مارك 1" .           

بدأ تطوير جهاز مانشستر مارك 1 في أغسطس 1948، وكان الهدف الأولي هو تزويد الجامعة بمرفق حاسوبي أكثر واقعية. ^{[ 15 ]} في أكتوبر 1948، شاهد كبير علماء الحكومة البريطانية، بن لوكسبايزر، عرضًا توضيحيًا للنموذج الأولي، وقد أعجب به لدرجة أنه بادر على الفور إلى إبرام عقد حكومي مع شركة فيرانتي المحلية لتصنيع نسخة تجارية من الجهاز، وهي فيرانتي مارك 1. ^{[ 7 ]}

أُنتجت نسختان من جهاز مانشستر مارك 1، وكانت الأولى، وهي النسخة الوسيطة، جاهزة للعمل بحلول أبريل 1949. ^{[ 15 ]} أما جهاز المواصفات النهائية، الذي كان يعمل بكامل طاقته بحلول أكتوبر 1949، ^{[ 16 ]} فقد احتوى على 4050 صمامًا وبلغ استهلاكه للطاقة 25  كيلوواط. ^{[ 17 ]} ولعلّ أبرز ابتكارات مانشستر مارك 1 هو دمج سجلات الفهرسة ، الشائعة في الحواسيب الحديثة. ^{[ 18 ]}

في يونيو 2022، تم تخصيص إنجاز هام من قبل معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) لـ "حاسوب جامعة مانشستر "الطفل" ومشتقاته، 1948-1951". ^{[ 19 ]}

نتيجةً للخبرة المكتسبة من جهاز Mark 1، استنتج المطورون أن استخدام الحواسيب سيزداد في المجالات العلمية مقارنةً بالرياضيات البحتة. ولذلك، شرعوا في تصميم جهاز جديد يتضمن وحدة حسابية للفاصلة العائمة ؛ وبدأ العمل عليه عام 1951. عُرف الجهاز الناتج، الذي شغّل أول برنامج له في مايو 1954، باسم Meg، أو جهاز الميغاسايكل. كان أصغر حجمًا وأبسط من جهاز Mark 1، بالإضافة إلى كونه أسرع في حل المسائل الرياضية. أنتجت شركة Ferranti نسخة تجارية منه سُوِّقت باسم Ferranti Mercury ، حيث استُبدلت أنابيب Williams بذاكرة أساسية أكثر موثوقية . ^{[ 20 ]}

بدأ العمل على بناء حاسوب أصغر حجمًا وأقل تكلفة في عام 1952، بالتوازي مع التطوير المستمر لجهاز ميغ. وكُلِّف اثنان من فريق كيلبورن، وهما ريتشارد غريمسديل ودي سي ويب، بمهمة تصميم وبناء جهاز يستخدم الترانزستورات المطورة حديثًا بدلًا من الصمامات، والذي عُرف فيما بعد باسم مانشستر تي سي. ^{[ 21 ]} في البداية، كانت الترانزستورات الجرمانيومية ذات نقاط التلامس هي الأجهزة الوحيدة المتاحة ؛ وكانت هذه الترانزستورات أقل موثوقية من الصمامات التي حلت محلها، ولكنها تستهلك طاقة أقل بكثير. ^{[ 22 ]}

أُنتجت نسختان من الجهاز. كانت الأولى أول حاسوب يعمل بالترانزستور في العالم، ^{[ 23 ]} نموذجًا أوليًا، وبدأ تشغيله في 16 نوفمبر 1953. ^{[ 3 ] [ 24 ]} " استخدم الجهاز ذو 48 بت 92 ترانزستورًا من نوع نقطة التلامس و550 ثنائيًا". ^{[ 25 ]} أُنجزت النسخة الثانية في أبريل 1955. استخدمت نسخة 1955 250 ترانزستورًا من نوع الوصلة، ^{[ 25 ]} و1300 ثنائيًا من نوع الحالة الصلبة ، وكان استهلاكها للطاقة 150 واطًا. مع ذلك، استخدم حاسوب مانشستر تي سي الصمامات لتوليد موجات الساعة بتردد 125 كيلوهرتز وفي الدوائر الإلكترونية للقراءة والكتابة على ذاكرة الأسطوانة المغناطيسية ، لذا لم يكن أول حاسوب يعمل بالترانزستور بالكامل، وهو شرفٌ مُنح لحاسوب هارويل كاديت عام 1955. ^{[ 26 ]} 

بسبب مشاكل في موثوقية الدفعات الأولى من الترانزستورات، بلغ متوسط ​​الوقت بين الأعطال في حاسوب مانشستر ترانزستور حوالي 90 دقيقة، وهو ما تحسن بمجرد توفر ترانزستورات الوصلة الأكثر موثوقية. ^{[ 27 ]} تبنت شركة الهندسة المحلية " متروبوليتان-فيكرز" تصميم حاسوب الترانزستور في حاسوبها "ميتروفيك 950" ، حيث عُدّلت جميع الدوائر الإلكترونية لاستخدام ترانزستورات الوصلة. بُنيت ستة حواسيب من طراز "ميتروفيك 950"، أُنجز أولها عام 1956. نُشرت هذه الحواسيب بنجاح في مختلف أقسام الشركة، وظلت قيد الاستخدام لمدة خمس سنوات تقريبًا. ^{[ 23 ]}

بدأ تطوير حاسوب MUSE  - وهو اسم مشتق من " محرك الميكروثانية  " - في الجامعة عام 1956. وكان الهدف هو بناء حاسوب قادر على العمل بسرعات معالجة تقارب ميكروثانية واحدة لكل تعليمة، أي مليون تعليمة في الثانية. ^{[ 28 ]} Mu (أو μ ) هي بادئة في النظام الدولي للوحدات (SI) وأنظمة وحدات أخرى، تشير إلى عامل 10⁻⁶ ⁽ جزء من مليون).

في نهاية عام 1958، وافقت شركة فيرانتي على التعاون مع جامعة مانشستر في المشروع، وبعد فترة وجيزة، أُعيد تسمية الحاسوب إلى أطلس، وأصبح المشروع المشترك تحت إدارة توم كيلبورن. تم تشغيل أول حاسوب أطلس رسميًا في 7 ديسمبر 1962، واعتُبر آنذاك أقوى حاسوب في العالم، يعادل أربعة حواسيب من طراز IBM 7094. [ ^{29 ] وقيل} إنه كلما تعطل أطلس، فُقد نصف قدرة الحوسبة في المملكة المتحدة. ^{[ 30 ]} استغرقت أسرع تعليماته 1.59 ميكروثانية للتنفيذ، وسمح استخدام الجهاز للتخزين الافتراضي والتقسيم إلى صفحات لكل مستخدم متزامن بالحصول على ما يصل إلى مليون كلمة من مساحة التخزين المتاحة. ريّد أطلس العديد من مفاهيم الأجهزة والبرامج التي لا تزال شائعة الاستخدام حتى اليوم، بما في ذلك برنامج أطلس سوبرفايزر ، الذي يعتبره الكثيرون أول نظام تشغيل حديث يمكن التعرف عليه. ^{[ 31 ]}

تم بناء جهازين آخرين: أحدهما لاتحاد مشترك بين شركة بريتيش بتروليوم وجامعة لندن ، والآخر لمختبر أطلس للحاسوب في تشيلتون بالقرب من أكسفورد . وقد قامت شركة فيرانتي ببناء نظام مشتق لجامعة كامبريدج ، يُسمى تيتان أو أطلس 2، والذي كان يتميز بتنظيم ذاكرة مختلف، ويعمل بنظام تشغيل بتقنية المشاركة الزمنية طوّره مختبر كامبريدج للحاسوب . ^{[ 30 ]}

تم إيقاف تشغيل أطلس جامعة مانشستر في عام 1971، ^{[ 32 ]} ولكن آخرها ظل في الخدمة حتى عام 1974. ^{[ 33 ]} يتم الاحتفاظ بأجزاء من أطلس تشيلتون بواسطة المتاحف الوطنية لاسكتلندا في إدنبرة.

في يونيو 2022، تم تخصيص إنجاز هام من قبل معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) لـ "حاسوب أطلس واختراع الذاكرة الافتراضية 1957-1962". ^{[ 34 ]}

كان جهاز مانشستر MU5 خليفةً لجهاز أطلس. عُرضت مسودة مقترح لجهاز بديل لأطلس في مؤتمر الاتحاد الدولي لمعالجة المعلومات (IFIP) عام 1968 في إدنبرة، ^{[ 35 ]} على الرغم من أن العمل على المشروع والمحادثات مع شركة تكنولوجيا المعلومات والاتصالات (التي انضمت إليها شركة فيرانتي) بهدف الحصول على مساعدتها ودعمها قد بدأت في عام 1966. وكان من المفترض أن يكون الجهاز الجديد، الذي عُرف لاحقًا باسم MU5، في قمة مجموعة من الأجهزة وأن يكون أسرع من أطلس بعشرين ضعفًا.

في عام 1968، منح مجلس أبحاث العلوم (SRC) جامعة مانشستر منحة لمدة خمس سنوات بقيمة 630,466 جنيهًا إسترلينيًا (ما يعادل 12.5 مليون جنيه إسترليني في عام 2024 ) لتطوير الجهاز، وقامت شركة تكنولوجيا المعلومات والاتصالات (ICT) ^{، التي أصبحت} فيما بعد شركة ICL ، بتوفير مرافق الإنتاج الخاصة بها للجامعة. في ذلك العام، شارك فريق مكون من 20 شخصًا في تصميم الجهاز: 11 من أعضاء هيئة التدريس في قسم علوم الحاسوب، و5 ^من أعضاء هيئة تكنولوجيا المعلومات والاتصالات المنتدبين، و4 من أعضاء هيئة التدريس المدعومين من مجلس أبحاث العلوم. وبلغ عدد الموظفين ذروته في عام 1971، عندما ارتفع العدد، بما في ذلك طلاب الدراسات العليا، إلى 60 ^{موظفًا .} 

تمثلت أبرز الميزات الجديدة لمعالج MU5 في مجموعة تعليماته واستخدامه للذاكرة الترابطية لتسريع الوصول إلى المعاملات والتعليمات، وهو ما كان مفيدًا للغاية حيث كان زمن دورة المعالج الأساسية أسرع بخمس مرات من الوصول إلى الذاكرة الرئيسية. صُممت مجموعة التعليمات للسماح للمترجمات بتوليد كود كائن فعال، وللسماح بتنظيم المعالج على شكل خط أنابيب، ولتزويد المكونات المادية بمعلومات حول طبيعة المعاملات، مما يسمح بتخزينها مؤقتًا على النحو الأمثل. وهكذا، تم تخزين المتغيرات المسماة مؤقتًا بشكل منفصل عن عناصر المصفوفة، والتي كان يتم الوصول إليها بدورها عن طريق واصفات مسماة. تضمن كل واصف طول المصفوفة الذي يمكن استخدامه في تعليمات معالجة السلاسل النصية أو لتمكين المكونات المادية من إجراء فحص حدود المصفوفة. استخدمت آلية الجلب المسبق للتعليمات تتبع القفز الترابطي للتنبؤ بنتيجة التفرعات الوشيكة. ^{[ 37 ] [ 38 ]}

صُمم نظام التشغيل MUSS الخاص بجهاز MU5 ^{[ 39 ] [ 40 ]} ليكون قابلاً للتكيف بدرجة عالية، وتم نقله إلى مجموعة متنوعة من المعالجات في مانشستر وغيرها. في نظام MU5 المكتمل، تم ربط ثلاثة معالجات (MU5 نفسه، و ICL 1905E ، و PDP-11 )، بالإضافة إلى عدد من الذواكر والأجهزة الأخرى، عبر شبكة تبادل عالية السرعة. ^{[ 41 ] [ 42 ]} شغّلت جميع المعالجات الثلاثة نسخة من MUSS. تضمن MUSS أيضًا مُجمّعات للغات برمجة مختلفة وحزم وقت التشغيل لدعم الكود المُجمّع. تم بناؤه على شكل نواة صغيرة تُنفّذ مجموعة عشوائية من الآلات الافتراضية، تُشابه مجموعة مُقابلة من المعالجات. ظهر كود MUSS في المقاطع المشتركة التي تُشكّل جزءًا من مساحة العناوين الافتراضية لكل آلة افتراضية.

كان جهاز MU5 جاهزًا للعمل بكامل طاقته بحلول أكتوبر 1974، بالتزامن مع إعلان شركة ICL عن عملها على تطوير سلسلة جديدة من الحواسيب، وهي سلسلة 2900. وقد استوحى جهاز ICL 2980 تحديدًا، الذي سُلّم لأول مرة في يونيو 1975، الكثير من تصميم MU5. ^{[ 43 ]} وظلّ MU5 قيد التشغيل في الجامعة حتى عام 1982. ^{[ 44 ]} ويمكن الاطلاع على مقال أكثر تفصيلًا حول MU5 في موسوعة تاريخ الهندسة والتكنولوجيا. ^{[ 45 ]}

بمجرد أن أصبح جهاز MU5 جاهزًا للتشغيل الكامل، انطلق مشروع جديد لإنتاج خليفته، MU6. كان من المُخطط أن يضم MU6 مجموعة من المعالجات: MU6P، ^{[ 46 ]} وهو معالج دقيق متطور مُصمم للاستخدام كحاسوب شخصي، وMU6-G، ^{[ 47 ]} وهو جهاز عالي الأداء للتطبيقات العامة أو العلمية، وMU6V، ^{[ 48 ]} وهو نظام معالجة متجهات متوازي. تم بناء نموذج أولي لجهاز MU6V، يعتمد على معالجات دقيقة من نوع 68000 مع محاكاة أوامر المتجهات كـ "رموز إضافية"، وتم اختباره، لكن لم يتم تطويره أكثر من ذلك. تم بناء جهاز MU6-G بمنحة من SRC، وعمل بنجاح كجهاز خدمة في القسم بين عامي 1982 و1987، ^{[ 4 ]} باستخدام نظام التشغيل MUSS الذي تم تطويره كجزء من مشروع MU5.

SpiNNaker: بنية الشبكة العصبية النبضية هي بنية حاسوب فائق متعدد النوى ومتوازي للغاية ، صممها ستيف فوربر في مجموعة أبحاث تقنيات المعالجات المتقدمة (APT) بجامعة مانشستر. ^{[ 49 ]} بُني عام 2019، ويتكون من 57,600 معالج ARM9 (وتحديدًا ARM968)، يحتوي كل منها على 18 نواة و128 ميجابايت من ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية الديناميكية (DDR SDRAM) المحمولة ، ليبلغ إجمالي عدد النوى 1,036,800 نواة وأكثر من 7 تيرابايت من ذاكرة الوصول العشوائي. ^{[ 50 ]} تعتمد منصة الحوسبة على الشبكات العصبية النبضية ، وهي مفيدة في محاكاة الدماغ البشري (انظر مشروع الدماغ البشري ). ^{[ 51 ] [ 52 ] [ 53 ] [ 54 ] [ 55 ] [ 56 ] [ 57 ] [ 58 ] [ 59 ]}