マンチェスターコードがビットを動作させた

1940 年代後半、コンピューター エンジニアが信頼性の低いハードウェアとノイズの多い伝送環境に取り組んでいたとき、イギリスのマンチェスター大学のささやかな研究室に所属するエンジニア チームは、デジタル コンピューティング自体の存続可能性を脅かすほど根本的な問題に直面しました。マシンはビットを作成できますが、それを確実に読み戻すことはできません。

メモリ データの一貫性のない読み取りは、当初は大きな理論的課題としては存在しませんでした。それは、一貫性のないコンピューティング結果という、よりありふれたもののように見えました。

Frederick C. Williams、Tom Kilburn、GE (Tommy) Thomas を含むエンジニアは、障害の原因が論理的なエラーではなく、マシン自体の物理的な動作であることを突き止めました。研究チームは、別個のクロック信号に依存せずに送信機と受信機の同期を保つ技術を考案しました。彼らのイノベーション、マシン マンチェスターコード または 位相コーディングビット期間の中央の遷移で各ビットをエンコードし、基本的にタイミング情報をデータ ストリームに直接埋め込んでセルフ クロッキング信号とします。したがって、信号が低下したり、タイミングがわずかにずれたりした場合でも、受信機は同じ規則的な遷移に基づいて継続的に時間を計測することができます。

マンチェスター コードは、別個のクロックの必要性を排除し、同期エラーを減らすことにより、ケーブルと回線間のデータ伝送をより堅牢にしました。

これらの機能により、後にイーサネットや初期のデータ ストレージ システムなどのテクノロジーに自然に適合するようになりました。そのセルフクロッキングの性質は、マシンの通信方法の標準化に役立ち、最新のネットワーキングとデジタル通信プロトコルの基礎を築きました。

2026 年 4 月 13 日、マンチェスター大学での式典で、この画期的な成果が IEEE マイルストーン プレートで表彰されました。式典にはIEEEと大学の高官らが出席した。

信号タイミングの実装

1940 年代のマンチェスター大学のエンジニアは、最初の実用的なストアド プログラム マシンの 1 つであるマンチェスター マーク I に搭載されるシステムに取り組みました。

問題が発生すると、オシロスコープを使用して信号を調査しました。彼らは、電気パルスが一貫したタイミングで到着しないことを発見しました。メモリ信号も時間の経過とともにぼやけて読みにくくなり、同じビットが長く続くと波形が平坦になり、遷移のない部分が生じました。

これにより、重要な洞察が得られました。問題は、信号が高いか低いかを検出することだけではありません。また、システムは信号をいつサンプリングするかを見失いました。信頼できるタイミング マーカーがなければ、正しく生成された信号であっても誤って読み取られてしまいます。システムが同期していないために、ビットが失われたり、誤ってカウントされたりする可能性があります。

最初、エンジニアたちはハードウェアを手なずけようとしました。彼らは回路を安定させ、より一貫したパルスを作成することを実験し、本質的に不安定なシステムに一定のリズムを課すことを試みました。しかし、その修正は脆弱であることが判明し、今日の電子機器では必要な精度を維持できませんでした。そこでマンチェスターチームは別のアプローチをとった。

ハードウェアが信頼性の高いクロックを提供できない場合は、信号自体が信頼できるクロックを伝送する必要があります。データを静的なレベルとして表現するのではなく、各ビットの状態が変化し、その間の遷移が保証されました。

信号タイミングを実装すると、不安定な動作が減少しました。マシンは突然、データを確実に送信、保存、読み取りできるようになりました。これは、保存されたプログラムの実用的なコンピューティングに向けた重要なステップです。

信号を間違いなく作る

マンチェスター規範は、いくつかの問題を一度に解決しました。通常の遷移により、継続的なタイミング回復が可能になりました。トランジションは静的なレベルよりも検出しやすいことが証明され、同じビートが長く続いても平らで曖昧な波形が生成されることはなくなりました。初期のエレクトロニクスの欠陥と戦うのではなく、設計はそれらをうまく処理しました。

実験室の好奇心から世界標準へ

マンチェスターのローカル ソリューションとして始まったこのシステムは、タイミングと共有メディア通信が主要な課題であった初期のイーサネット テクノロジを含む、数十年にわたってデジタル通信システムを形成してきました。

1973 年にゼロックス PARC で最初のイーサネット システムを構築したチームのメンバーであるロバート メトカーフ氏によると、彼と同僚はマンチェスター コードに依存していました。

「マンチェスター符号はタイミングという根本的な問題を解決してくれました」とメトカーフ氏は述べ、各ビットが独自のクロックを運び、グローバルに同期された信号の必要性がなくなったと説明した。

このコーディング方式によってもたらされる利点は、このセルフクロッキング機能だけではありません。一般的な同軸ケーブルでは、マンチェスター符号化はタイミングを提供するだけではありません。各トランシーバーは、ほとんどの場合、媒体を妨げられない状態 (事実上「オフ」) のままにし、他のマシンからのパケットが妨げられずに通過できるようにします。送信中であっても、ステーションが信号を移動したのは時間の約半分だけであり、各ビット サイクルの残りの半分では回線は動かないままでした。

単純な 1 と 0 ではなく、駆動信号と非駆動ラインのこの区別により、受信機はケーブルの他のアクティビティを監視しながら、データとクロック タイミングの両方を回復できるようになりました。回線が駆動されないと予想したときにトランシーバーが信号を検出した場合、その信号は別のステーションが同時に送信していることを示していました。言い換えれば、システムはリアルタイムで衝突を検出し、それに応じて反応することができます。

このコンセプトは、ローカル ネットワークを超えて耐久性があることが証明されています。マンチェスター コードは、現在星間空間を航行中のボイジャー宇宙船で使用されており、極限環境におけるその信頼性が強調されています。

このコードは日常の電子機器にも使われています。テレビやオーディオ機器の赤外線リモコンは通常、1980 年代初頭にフィリップスによって開発された RC-5 などのプロトコルを使用するマンチェスター コードに依存しています。このプロトコルは、デバイスの集積回路と LED によって送信されるタイミング指定された赤外線信号としてコマンドをエンコードするため、デバイスはノイズや信号の歪みがあってもボタンの押下を確実に解釈できます。ヨーロッパ中の製造業者、そして米国の多くの製造業者がこのアプローチを採用し、マンチェスター規範を家庭に拡張しました。

マイルストーンが重要なのはなぜですか?

IEEE マイルストーンの指定は、永続的な影響を与えるテクノロジーを表彰します。マンチェスター コードは、コンピューティングの歴史における重要な瞬間に基本的なタイミング問題を解決したため、適切です。

データ自体にタイミングを埋め込む方法がなければ、初期のデジタル システムは脆弱で信頼性の低いままになっていたでしょう。マンチェスター コードは信頼性の高いマシンを作るのに役立ち、今日のデジタル通信の多くを可能にしました。

「マンチェスター・コードはタイミングという根本的な問題を解決してくれました。」 -ロバート・メトカーフ、イーサネットの発明者

楯の奉献式の主要な参加者には、IEEE 2024 会長のトム・コフリン氏が含まれていました。マンチェスター大学の学長兼副学長であるダンカン・アイヴィソン氏と、IEEE英国およびアイルランド部門の会長であるネガム・サイード氏。

Kees Schouhamer Immink (2017 IEEE Medal of Honor 受賞者は、コンパクト ディスクやその他の高密度デジタル メディアを実用化した功績でおそらく最もよく知られている) と Peter Green (マンチェスター工学部副学部長) による講演では、デジタル データの保存と通信に対する規範の継続的な影響が強調されました。

マンチェスター コードの IEEE マイルストーン ボードには次のように書かれています。

“の上 1948 年から 1949 年にかけてこのサイトで、Manchester Mark I コンピュータの磁気ドラムに保存されたデジタル データを確実にエンコードするためにマンチェスター コードが発明されました。これはコンピュータの磁気テープやフロッピー ディスクの標準となり、ボイジャー 1 号および 2 号宇宙船や初期のイーサネット ネットワークなどのデジタル通信で使用されました。家庭用リモコン、無線周波数識別 (RFID) タグ、および多くの制御ネットワーク標準で広く使用されています。。」

マイルストーン プログラムは、IEEE ヒストリー センターによって管理され、寄付者によって支援されており、世界中の優れた技術開発を表彰します。 IEEE 英国およびアイルランド支部がこの推薦を後援しました。