スペースラベル搭載のミトラ 125 MS コンピュータと ALU リバースエンジニアリング

スペースラベルとは

スペースラベルは宇宙シャトルに搭載可能な再利用式の実験室です。主要な特徴は以下の通りです。

• 機能: 乗組員や実験のために实验室空間を提供。
• 構造: 研究員が実験装置、コンピュータ、作業エリアを収容する圧気式円筒形です。
• 移動性: シャトルとの間を行き来するためのトンネルが接続されています。
• パレット搭載: 最大 5 つの無圧気式の「パレット」を支え、望遠鏡やセンサーなどの実験装置を宇宙空間に曝して運用できます。

ミトラ 125 MS コンピュータについて

スペースラベルの運用制御にはフランス製ミニコンピュータ「ミトラ 125 MS（Mitra 125 MS）」が採用されました。

コンピュータの基本特徴

• マイクロプロセッサなし: マイクロプロセッサチップではなく、複数の回路基板にわたって16 ビットの演算器を構成しています。
• 歴史的背景: シリーズ名「ミトラ」はフランス語の頭字語（Mini-machine for Real-Time and Automatic Computing）で、「リアルタイムおよび自動計算用の小型マシン」を意味します。
  • 「ミトラ 15」（1971 年発売）: 磁心記憶装置を採用した 16 ビットシステム。約 8,000 台が販売されました。
  • 「ミトラ 125」（1975 年発売）: メモリ管理機能、I/O プロセッサ、高性能化、追加命令セットを備えた後継機。
• 軍事グレード版: スペースラベルには、軍事用途向けの**「MS」バリエーションであるミトラ 125 MS**が CIMSA（コンソルシアム・インダストリアル・イノヴェーション）によって製造されました。

システム構成と信頼性

各ミッションでは以下の 3 台の計算機が搭載され、高い冗長性を確保していました。

• サブシステム・コンピューター: スペースラベル自体の制御と管理を担当。
• 実験コンピューター: 実験処理を担当。
• バックアップ・コンピューター: 上記どちらかに故障が発生した場合に役割を引き継ぐ。

これら 3 台は、すべての実験データ収集や実験制御を行う「コマンドおよびデータ管理サブシステム（CDMS）」の一部を形成しています。通常、スペースラベルの実験室内のワークベンチラックの下方に設置され、「データディスプレイシステム（DDS）」であるキーボードと CRT ディスプレイを通じて操作されました。

特殊な運用モード

一部のミッションでは実験室自体を省略し、実験用パレットのための空間確保のみを行う運用が行われました。この場合：

• 計算機は小型の圧気式円筒**「イグルー」**内に設置されます。
• 研究員はシャトル内に留まり、後部操縦席に搭載された 2 つの DDS を通じて実験を制御します。

74181 ALU チップについて

スペースラベル計算機にはマイクロプロセッサではなく、多数の集積回路（IC）を組み合わせて論理回路を実現していました。

IC の種類と特徴

• 技術体系: 現代の CMOS と異なり、バイポーラトランジスタを内蔵する**TTL（トランジスタ・トランジスタ論理）**方式です。高速だが消費電力が多く大型でした。
• 採用シリーズ: 民間用「7400 シリーズ」ではなく、軍事用途グレードの**「5400 シリーズ」**が採用されました。

181 アリumeric/Logic Unit（ALU）チップ

計算機の中核となる加算／減算およびブール論理演算を行う IC です。

• 正式名称: 搭載されるのは約 170 トランジスタを搭載した**「54S181」**（軍事グレードの 181 ALU）。
• 発売元・歴史: 1970 年にテキサス・インスツルメンツ社が発表した「74181」が元祖。
  • 性能: 高速、コンパクト、安価。PDP-11 や VAX-11/780 などに広く採用されました。
  • 機能: AND、OR、XOR などバイナリ論理演算に加え、加算・減算・インクリメント・デクリメントをサポート。
    • 欠点: 右シフトはサポートせず、乗算・除算は単体では対応できないため、反復的な加減算にシフトを組み合わせて実装する必要がありました。
  • 接続方式: 4 ビット単位のデータしか扱えないため、複数のチップを連結し、「リップルキャリー」方式でキャリー信号を連鎖させて大きなワイドワード（16/32 ビット）を処理していました。

キャリールックアヘッド・チップ（74182）

• 遅延の多い「リップルキャリー」方式を高速化するために、4 つの 74181 のキャリー計算を並列実行する**「74182」**が採用されます。これにより加算動作全体が大幅に加速されました。

ミトラ搭載用の ALU／レジスタ基板について

スペースラベル計算機では、32 ビットごとの加算器を実現するために合計 8 つの「54S181」チップを使用しました。

アルキテクチャ概要

• 構成: ALU チップに加え、多数の追加 IC を必要とします。
  • マルチプレクサ（MUX）: 命令に応じて 8 種類の入力値から選択するため、32 個必要。
  • レジスタ: 32 ビットデータを格納する3 つの 32 ビットレジスタを用意し、これらは合計24 個の ICで構成されます。
  • キャリールックアヘッド: 高速計算のために**「54S182」**が 2 個使用されます。
• 分散実装: 必要な IC の数が多いため、回路は 3 つの基板に分散して実装されました。

基板の特徴と設計

• チップ識別: 「181 チップ」は他の IC より大型で、ピン数が24 ピンと明確に区別できます（他は 14/16 ピン）。
  • 最初の基板：2 つの ALU チップ搭載。
  • 最後の 2 つの基板：それぞれ 3 つの ALU チップ搭載（類似しますが同一ではない）。
• 設計意図: 初見では 32 ビット ALU は驚きましたが、16 ビットシステムであるミトラにおいてこれはパフォーマンス向上（特に乗算処理の高速化、32 ビット浮動小数点数サポート）のための拡張仕様と思われます。

システム全体アーキテクチャ

中央に位置する ALU は A および B の 2 つの 32 ビット演算対象を処理します。

• マルチプレクサ（MUX）: A および B にそれぞれ 4 つの入力値から 1 つを選択できます。
  • A 入力: レジスタ値やバス上の数値など柔軟な選択が可能。
  • 「すべて 1」入力: ネガティブ論理では「0」、2 補数表示では**-1**を意味します。
• レジスタ構成:
  1. シフトレジスタ A/B: 値を左/右にシフト可能。乗算や除算のステップ処理に利用。計算機全体とバス接続。
  2. フリップ・フロップレジスタ C: 値を保持。算術演算時のみアクセス可能で、バスとは直接接続されない。

基板の物理的特性

• 高密度実装: 固定グリッドパターンのホールがあり、IC ピンや他のコンポーネントを挿入・接続可能です（ビアとして利用も可）。集積回路の下には熱効率的な金属バー（ヒートスプレッド）が配置されています。
• 黄色い「ボッチング」ワイヤー: 回路設計の誤りを補正するために使用されていますが、飛行用計算機への搭載前に修正されたと推測されます。
• 固定機構: 下部に 96 ピンコネクターがあり、筒状のキーピンと金属製タブによるノッチ合わせで母ボードへの挿入位置と向きを確実にする設計です。
• パッケージの違い: 消費向け「DIP パッケージ」を採用していますが、IBM の航空宇宙用「フラットパック」や IBM の両面基板（156 IC）に比べ、単面ミトラ基板では搭載可能 IC が僅か 30 個と密度が低くありました。

フランスコンピュータ業界の歴史と影響

スペースラベルで使用されたミトラは、フランス政府の強い意志の下で育った産業の産物です。

• 「プラン・カールチュ」:

  • 背景: 米国製スーパーコンピュータへの依存（特に核計算用の CDC 6600 など）を問題視し、独立したコンピューター産業が必要と判断されたこと。
  • 内容（1966 年）: ミニコンピューターから半導体までを政府が主導して再編・支援する計画。ミニコンピューター分野では SEA、CAE、SETI を統合して新会社CIIを設立。
    • CII の主要株主はトムソン・CSF（現・タレス）。ミトラシリーズ開発の中心でした。
  • 結末: 高額な助成金にもかかわらず米国への対抗未能となり、1974 年の大統領交代と自由市場主義の広がりで廃止されました。

• ブル社（Bull）の興亡:

  • フランス最古のコンピューター企業（1931 年設立）。IBM と競合し、「ガンマ 60」などを開発。
  • しかし IBM に対抗できず、1964 年に GE に買収（ブル・GE）、後に国有化されるなど複雑な軌跡を辿りました。2026 年に再び国有化されました。

• IBM AP-101SL コンピューターへの置き換え:

  • 当初は欧州製ミトラを使用しましたが、性能要件と政治的要因から次第に IBM 製へ移行。
  • 宇宙シャトル計画期間中に急速に進化する技術に対応するため、1991 年に CIMSA コンピュータがIBM AP-101SLで置き換えられました。
    • AP-101SL は AP-101S のアップグレード版ですが、ミトラの命令セットや I/O 機能をサポートするように改造済みです。
    • マイクロコードの更新により、32 ビットシステムである AP-101S を 16 ビットミトラ命令セットで動作させるのが容易でした。

結論

スペースラベル計算機は、マイクロプロセッサが登場する以前のコンピュータ構築様相を知る上で極めて興味深い対象です。

• 構成: ALU やレジスタなど、計算機構成要素を単純な IC（7400/5400 シリーズ）を組み合わせて構築していました。
• 規模: IC 機能の限界により、計算機全体に36 つの基板が必要でした。
• 実装: それでもスペースシャトルに搭載できるほどコンパクトであり、現代基準では性能（128 KB 磁心メモリなど）は低そうですが、宇宙計画において重要な役割を果たしていました。

※本稿では完全な計算機のリバースエンジニアリングまで行っておりませんが、将来的により詳細な解説を執筆する可能性があります。最新情報は Bluesky @righto.com、Mastodon @righto.social でご確認ください。