スペースラベル搭載「ミトラ 125 MS」のコアメモリシステム解説

概要：スペースラベルとそのコンピュータ

• スペースラベル
  • 空間シャトルの貨物倉に搭載可能な再利用可能な実験室。
  • 宇宙飛行士および実験のための研究室空間を提供。
  • 欧州プロジェクトであり、そのため IBM 製 AP-101 システムではなく、フランス製のミニコンピュータ「ミトラ 125 MS」を採用しました。
  • ストレージにはコアメモリ（マグネットコア）が採用され、全計128 キロバイトの RAMを搭載していました。
• 搭載構成
  • 圧力がかかる実験室（円筒形モジュール）：貨物倉前方に配置され、トンネルでシャトル本体と接続。
  • 実験装置：実験室の後方のパレットに取り付け。
  • コンピュータ配置：同一仕様のミトラコンピュータが 3 台搭載されていました。
    • 1 番目：スペースラベル自体の管理。
    • 2 番目：実験の管理。
    • 3 番目：バックアップ用（いずれかの故障時対応）。

コアメモリスタックの構造と構成

• 物理的特徴
  • 取り外されたコアスタックは、コンピュータ全体のごく約三分之一の空間を占めていました。
  • コンピュータの側面パネルが一体で外れ、コアメモリユニットがスライドアウトする構造です。
  • 伝導冷却方式を採用しており、コアメモリスタックを側面パネルに固定することで冷却効果を維持しました。
• 基板構成（7 つ）
  1. ドライバ基板 × 2 枚
  2. コアプレーン基板 × 4 枚
  3. インタフェース基板 × 1 枚
• コネクタ仕様
  • 各基板は片側あたり 2 つずつ（合計 4 つ）、計160 ピンのコネクタを備えています。
  • 両側に大型の daughter board（子基板）に取り付けられ、広範な相互接続性が確保されています。
  • 右側の daughter board にはさらに 160 ピンのコネクタがあり、メモリスタックをコンピュータ残りの部分に接続します。

コアメモリの動作原理

歴史的背景

• 課題：早期コンピュータにおける記憶装置の開発は最も困難な課題の一つでした。
  • 1940〜50 年代の技術（水銀音波、CRT スポット、磁気ドラム）には限界がありました。
  • 必要とされたのは：高密度かつ低価格でありながら、高速・高信頼性でランダムアクセス可能なストレージ。
• 発見：第二次世界大戦中にドイツが開発した特殊磁性合金は、「反転（flip）」することで磁気状態を変化させる特性を持っていました。
  • 米国研究者らはこれをバイナリデータ保存に利用し、「メモリーを作ることは全く自明だった」という境地に至りました。
• 開発と特許争い
  • 主要な発明者：フリーデリック・ヴィーハ、アン・ワン（ハーバード）、ジャーン・ライフマン（RCA）、ジェイ・フォーレーター（MIT）。
  • IBM は資金を活用し、ワン氏に 40 万ドル、MIT に 1300 万ドルを支払うなど高額な特許争いが繰り広げられました。
  • ジャイ・フォーレーター教授は実用的なコアメモリ設計を開発し、1953 年に「ウィールウィンド」コンピュータで世界初の実装を行いました。

基本構造とアドレス指定

• 基本単位：各ビットに対応する微小な環状（トーロイド）磁気コア。
  • 時計回り/反時計回りの磁化で「0」または「1」を表現。
  • ワイヤーを通じ電流を流すことで磁場を生じさせ、コアを磁化・反転させる。
• 課題と解決：重なり電流アドレス指定（coincident current addressing）
  • 課題：各コアに独立したワイヤーを引くと、16KB 实现だけでも 10 万本以上のワイヤーが必要となり現実的ではありませんでした。
  • 構造：コアは水平線（Y ドライブ）と垂直線（X ドライブ）のグリッド状に配置されます。
  • 動作：一つの水平線と一つの垂直線を同時に電流で励起させると、交点にある単一のコアのみが選択され動作します。
• ヒステリシス特性による解決
  • コアはヒステリシスという特殊な磁性材料で作られています。
    • 小さな電流では状態変化なし。
    • より大きな電流（閾値）でのみ磁気状態が反転します。
  • 電流制御：
    • 各線単独での電流は、コアを反転させるのに必要な半分程度。
    • 交差点では両方の電流が叠加され、十分な磁場が生じて初めて反転します。

読み書きサイクル（3 次元的スタック構造）

• ワード単位アクセス：コアプレーンを 3 次元的なスタック構造として組み合わせます。
  • 例：16 ビットのワードなら、16 レイヤーのスタックが必要。
  • すべてのプレーンが X および Y ラインのシグナルを共有するため、縦方向のコラムは並列処理されます。
  • 各プレーンには独立したセンスラインがあり、ビット値を読み出します。
• 読み取りプロセス（破壊的読み出し）
  1. X および Y セレクト線を電流で励起し、対象のコアを強制的に「0」状態にする（書き込み）。
  2. コアが既に「0」なら何もない。もともと「1」だった場合は、状態変化に伴う磁場変化によりセンス線に微小な電流誘起が生じます（これが「1」のサイン）。
  3. 重要：ビットの値を読み取ることは同時にその値を破壊する。
  4. 復元：読み取り後には、元のデータを復元するために再書き込み（rewriting）が必要です。

インヒビット（抑制）ラインとダイオードマトリックス

• インヒビットラインの活用
  • 異なるビットに異なる値を書き込む工夫として、「インヒビットライン」を設置。
  • X ラインとは逆向きに配置し、特定のプレーンにあるコアを変更不可能にする。
• 読み書きサイクルの具体化
  1. X/Y ラインペアを励起し、対象ワードのコア列全体に「0」を書き込みます。
  2. センスラインを通じてビット値を読み取ります。
  3. X/Y ラインを逆向きに励起してコアに「1」を書き込みます。
  4. その際、「0」が格納されているプレーンのインヒビットラインのみを励起します（変更禁止）。
  5. 結果：必要に応じて「0」のままか、あるいは「1」に反転して動作します。
• ワイヤー構造
  • 多くのコアメモリでは読み出し線と抑制線を共用し、各コアに 3 つのワイヤーが通る構造です。

サターン V ロケットの LVDC と IBM システム/360 の比較

• LVDC（発射用デジタルコンピュータ）
  • サターン V ロケット用。14 レイヤーのコアプレーンから構成。
  • 現在、米国のスペース＆ロケットセンターに所蔵（NCAR EOL による写真）。
• IBM システム/360
  • コアは「19-32」と呼ばれ、内径 19 ミル（約 0.48mm）、外径 32 ミル（約 0.8mm）。
  • 高密度化と高度な技術が採用された実例。

ダイオードマトリックスと製造プロセス

• ドライバ回路の必要性
  • X/Y ラインを制御するには、高速かつ双方向の高電流（例：600mA）パルスが発生できるドライバ回路が必要。
  • コアプレーンには数百本のラインがあるため、独立したドライバを用意すると高価（特に真空管時代）。
• マトリックス構造によるコスト削減
  • ワイヤーの両端にそれぞれ別のドライバを配置し、1 つのドライバーが多数のワイヤーを制御。
  • 例：9 本の垂直ライン → 上端に A/B/C、下端に 1/2/3。B と 1 を同時に励起することで対応するラインのみ動作。
  • これにより片側 N 個のドライバで N²本のラインを制御し、合計 N⁴のコアをサポート可能。
• スニークパス対策とダイオード
  • 問題：コア内部を電流が「スニークパス」と呼ばれる不意の経路を通って流れる危険性。
  • 対策：ダイオードを追加し、電流が誤った経路（代替経路）をたどらないようにする。
  • 各ワイヤーは双方向に電流を必要とするため、コアの状態反転には各ワイヤーごとに2 つのダイオードが必要。
  • ダイオードは小型・安価だったため、大量使用も問題ありませんでした。
• コードウッド構造（cordwood construction）
  • サターン V の LVDC などで採用された垂直方式の実装。
  • プリント基板間に多数のダイオードを搭載。

スペースラベル用コンピュータの詳細なコアメモリ設計

スペースラベルコンピュータ（1980 年製造）は、コアメモリの寿命終盤であり、高密度化や高度な技術が採用されています。

メモリ容量とデータ構造

• 構成：4 つのコアプレーン基板 × 16K ワード（18 ビット）× 16 = 計 32KB/基板。
  • 合計 128KB の RAMを形成。
• ビット幅拡張
  • コンピュータ本体は 16 ビット機ですが、各ワードに「パリティビット」と「ストレージプロテクトビット」が追加され、実質的に18 ビットのデータ長となります。
  • ストレージプロテクトビット：ワード単位での書き込み保護を提供し、プログラムによる誤上書き防止。非揮発性により再起動後も即座に利用可能。

基板とワイヤー配置

• ライン構成
  • 垂直（Y）ライン：1024 本。
  • 水平（X）ライン：288 本。
  • コア数：合計294,912 つのリチウムフェライトコア。
• ハンダ付けと絶縁
  • 非常に細いワイヤーは PCB の微細パッドにハンダ付けされています。
  • すべてのワイヤーは絶縁被膜（エナメル）を施されており、短絡を防ぎます。
• センスラインの配置
  • 基板は 18 ビットをサポート。センスラインが互いに異なる色（緑と銅色）で交互に配置され、18 本のストライプが見えます。
  • ノイズ低減のため、左右半分それぞれが独立したセンスラインを持ち、18 ビットに対して合計36 本のセンスラインを設けています。
  • センスワイヤーは基板の 4 つの穴を通り、裏面でハンダ付けされ、長大な距離を移動するにつれて接着固定されます（極めて fragile なワイヤー）。

コアの詳細構造と回路経路

• コア寸法：直径約 32 ミル（0.8mm）（IBM システム/360 と同サイズ）。
  • 間隔が非常に小さく、わずかな隙間しかありません。
• ワイヤーの色と役割
  • X/Y セレクトライン：銅色。
  • センスライン：緑色。
• ループ構造（2½D アーキテクチャの核心）
  • センスワイヤーは左側でループし、各ビット領域に単一の回路経路を形成。
  • Y ラインの半分は基板下部で、残りの半分は上部でそれぞれループしており、平面内を2 回（U字型）通過します。
• 極性の維持
  • いくつかの行が傾いているように見えるのは、センスラインの方向が変わってもその極性が一定に保たれるよう意図されたためです。

サセンスアンプとダイオードマトリックス（裏面構造）

• 搭載部品
  • コアプレーンの反対側には、センスアンプとダイオードマトリックスを搭載。
  • ダイオードチップ：黒い四角形パッケージ。1 つあたり 8 コアのライン（計 16 つのダイオード）を内蔵。
  • センスアンプ：中央部分に 18 つのアンプチップ（各々 2 アンプ内蔵）。DIP パッケージ。
  • 抵抗器パッケージ：白色。センスアンプラインをバイアスおよび終端するための複数の抵抗器。
• 配線とノイズ対策
  • センスアンプからの配線はツイストペアとなり、対応するアンプチップのすぐ隣にハンダ付けされています。
  • 全体距離にわたってツイストペアを使用し、電気ノイズ（センスワイヤーが微小な信号を覆い尽くすのを防ぐ）を防ぎます。
• ノイズキャンセル構造（バットフライ形状）
  • センスライン上の信号検出は非常に難しく（数 mV の微小値）、X ドライブラインの高電流パルスからノイズを受ける危険性があります。
  • 2 つのプレーン区画の間でセンスラインが互いに交差し、「バットフライ（bow tie）」形状を形成するように設計されています。
  • その結果、X ラインは半分が正極性のセンスライン、残りの半分が負極性のセンスラインと隣接するため、誘起されたノイズが相殺されます。

2½D メモリアーキテクチャと抑制ラインの排除

スペースラベルコンピュータのコアメモリシステムは、一般的な設計とは異なり「抑制（inhibit）」ラインを排除することで性能向上を図っています。**「2½D メモリ」**と呼ばれるこのアーキテクチャでは：

• ビットごとの独立した X ドライバ
  • 抑制ラインがない代わりに、各ビットごとに独立した X ドライバ回路を持っています。
  • データ書き込み時、「1」を受信するビットのみの X ラインが励起され、他のラインは無励起のまま「0」の状態を維持します。
  • 欠点：1 つのセットではなく各ビットごとに 1 セット必要（18 ビットなら 18 倍）ですが、コアドライバが IC 化されコストは相対的に小さくなりました。
• 位相反転（phase reversal）による垂直ドライバー数半減
  • ペアの垂直ワイヤーは U 字型接続で結合されています。
  • 特定の方向に電流を流すと、ペア内の左側または右側のコアのみが選択され、他方は磁場が発生しません（打ち消し合うため）。
  • 垂直ループ内の電流の向きを反転させることで、反対側のコアを選択できます。
  • これにより、2 つのドライバーではなく 1 つのドライバーで垂直ラインを制御でき、各ドライバーは 2 倍のコアを制御します。

結論：コアメモリの歴史とスペースラベルの位置づけ

• 寿命と進化
  • コアメモリは長寿であり、真空管からトランジスター・IC へ移行する過程でも存続しました。
  • 1970 年代に半導体メモリが主流となるまで、メインメモリストレージとして最も広く用いられていました。
• スペースラベルの特殊性
  • 1980 年製造のためコアメモリの終盤にあたりますが、高密度化、IC 多用、2½D アーキテクチャなど、先進的な設計が採用されていました。
  • 半導体メモリ（高密度・低価格・低消費電力）の台頭により時代遅れとなりましたが、宇宙航空分野では以下の利点によりさらに長く利用されました：
    1. 電源がなくてもデータ保持可能。
    2. 放射線に対する耐性が高い。
• アップグレードと継承
  • 1991 年：スペースシャトルは半導体メモリ採用の IBM AP-101S を搭載して飛行。
  • スペースラベルのミトラコンピュータも置き換えられ、AP-101SL（AP-101S ベースだが旧インストラクションセット・周辺機器対応）が導入されました。
• 現存する遺産
  • コアメモリアーキテクチャ自体は過去のものとなりましたが、「core dump（コアダンプ）」という用語を通じて生き残っています。

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クレジット

• スペースラベルコンピュータ提供：スティーブ・ジュベトソン氏。
• 写真撮影と分解作業協力：カーシャーマーク氏。

注記

• 本文には中黒（—）が使用されていますが、記事の作成には AI は一切使用されていません。