Le rival oublié du tube à vide

Les amplificateurs magnétiques, la technologie alternative du Troisième Reich, ont duré jusqu'à l'ère d'Internet

Des amplificateurs magnétiques ont été utilisés dans l'Univac Solid State, illustré ici exploité en 1961 par l'informaticienne pionnière Grace Hopper.

Au cours de la Seconde Guerre mondiale, l'armée allemande a développé ce qui était à l'époque des technologies très sophistiquées, y compris les fusées V-2 qu'elle utilisait pour faire pleuvoir la destruction sur Londres. Pourtant, le V-2, ainsi que de nombreux autres matériels militaires allemands, dépendait d'un composant obscur et apparemment désuet dont vous n'avez probablement jamais entendu parler, quelque chose appelé l'amplificateur magnétique ou l'ampli magnétique.

Aux États-Unis, les amplis magnétiques ont longtemps été considérés comme obsolètes - "trop ​​​​lents, encombrants et inefficaces pour être pris au sérieux", selon une source. Ainsi, les experts américains en électronique militaire de cette époque ont été déconcertés par l'utilisation intensive de cet appareil par les Allemands, dont ils ont d'abord entendu parler en interrogeant des prisonniers de guerre allemands. Que savaient les ingénieurs du Troisième Reich qui avaient échappé aux Américains ?

Après la guerre, des officiers du renseignement américain ont parcouru l'Allemagne à la recherche d'informations scientifiques et techniques utiles. Quatre cents experts ont passé au crible des milliards de pages de documents et renvoyé 3,5 millions de pages microfilmées aux États-Unis, ainsi que près de 200 tonnes d'équipements industriels allemands. Parmi cette masse d'informations et d'équipements se trouvait le secret des amplificateurs magnétiques allemands : des alliages métalliques qui rendaient ces appareils compacts, efficaces et fiables.

Les ingénieurs américains ont rapidement réussi à reproduire ces alliages. En conséquence, les années 1950 et 1960 ont vu une renaissance des amplificateurs magnétiques, au cours desquels ils ont été largement utilisés dans les industries militaire, aérospatiale et autres. Ils sont même apparus dans certains premiers ordinateurs numériques à semi-conducteurs avant de céder entièrement la place aux transistors. De nos jours, cette histoire est pratiquement oubliée. Je vais donc vous proposer ici l'histoire méconnue de l'ampli mag.

Un amplificateur, par définition, est un appareil qui permet à un petit signal d'en contrôler un plus grand. Un tube à vide à triode à l'ancienne fait cela en utilisant une tension appliquée à son électrode de grille. Un transistor à effet de champ moderne le fait en utilisant une tension appliquée à sa grille. L'ampli magnétique exerce un contrôle électromagnétique.

Les amplificateurs magnétiques ont été utilisés pour une variété d'applications, y compris dans les tristement célèbres fusées V-2 [en haut] que l'armée allemande a employées pendant la Seconde Guerre mondiale et dans l'ordinateur Magstec [au milieu], achevé en 1956. L'ordinateur britannique Elliot 803 de 1961 [en bas] utilisait une logique de transistor à noyau connexe. À partir du haut : photos Fox/Getty Images ; Remington Rand Univac ; Archives Smith/Alay

Pour comprendre comment cela fonctionne, considérons d'abord un simple inducteur, par exemple un fil enroulé autour d'une tige de fer. Un tel inducteur aura tendance à bloquer le flux de courant alternatif à travers le fil. En effet, lorsque le courant circule, la bobine crée un champ magnétique alternatif, concentré dans la tige de fer. Et ce champ magnétique variable induit des tensions dans le fil qui agissent pour s'opposer au courant alternatif qui a créé le champ en premier lieu.

Si un tel inducteur transporte beaucoup de courant, la tige peut atteindre un état appelé saturation, dans lequel le fer ne peut pas devenir plus magnétisé qu'il ne l'est déjà. Lorsque cela se produit, le courant traverse la bobine pratiquement sans entrave. La saturation est généralement indésirable, mais l'ampli mag exploite cet effet.

Physiquement, un amplificateur magnétique est construit autour d'un noyau métallique en matériau qui peut facilement être saturé, généralement un anneau ou une boucle carrée avec un fil enroulé autour. Un deuxième fil également enroulé autour du noyau forme un enroulement de commande. L'enroulement de commande comprend de nombreux tours de fil, de sorte qu'en y faisant passer un courant continu relativement faible, le noyau de fer peut être forcé à entrer ou à sortir de la saturation.

L'ampli mag se comporte donc comme un interrupteur : lorsqu'il est saturé, il laisse passer sans entrave le courant alternatif dans son enroulement principal ; lorsqu'il n'est pas saturé, il bloque ce courant. L'amplification se produit car un courant de commande CC relativement faible peut modifier un courant de charge CA beaucoup plus important.

L'histoire des amplificateurs magnétiques commence aux États-Unis avec quelques brevets déposés en 1901. En 1916, de grands amplificateurs magnétiques étaient utilisés pour la radiotéléphonie transatlantique, réalisés avec une invention appelée alternateur Alexanderson, qui produisait une haute puissance, haute- courant alternatif de fréquence pour l'émetteur radio. Un amplificateur magnétique modulait la sortie de l'émetteur en fonction de la force du signal vocal à transmettre.

Un manuel de formation de la Marine de 1951 expliquait en détail les amplificateurs magnétiques, mais avec une attitude défensive quant à leur histoire.

Dans les années 1920, les améliorations apportées aux tubes à vide ont rendu cette combinaison d'alternateur Alexanderson et d'amplificateur magnétique obsolète. Cela a laissé l'amplificateur magnétique ne jouer que des rôles mineurs, comme pour les gradateurs de lumière dans les théâtres.

Les succès ultérieurs de l'Allemagne avec les amplificateurs magnétiques reposaient en grande partie sur le développement d'alliages magnétiques avancés. Un amplificateur magnétique construit à partir de ces matériaux a commuté brusquement entre les états marche et arrêt, offrant un meilleur contrôle et une plus grande efficacité. Ces matériaux étaient cependant extrêmement sensibles aux impuretés, aux variations de taille et d'orientation des cristaux, et même aux contraintes mécaniques. Ils ont donc nécessité un processus de fabrication exigeant.

Le matériau allemand le plus performant, développé en 1943, s'appelait Permenorm 5000-Z. Il s'agissait d'un alliage nickel-fer cinquante/cinquante extrêmement pur, fondu sous vide partiel. Le métal était ensuite laminé à froid aussi fin que du papier et enroulé autour d'une forme non magnétique. Le résultat ressemblait à un rouleau de ruban adhésif, avec un mince métal Permenorm constituant le ruban. Après bobinage, le module a été recuit sous hydrogène à 1 100 °C pendant 2 heures puis refroidi rapidement. Ce processus a orienté les cristaux métalliques de manière à ce qu'ils se comportent comme un gros cristal aux propriétés uniformes. Ce n'est qu'après cela que les fils ont été enroulés autour du noyau.

En 1948, des scientifiques du US Naval Ordnance Laboratory, dans le Maryland, avaient compris comment fabriquer cet alliage, qui fut bientôt commercialisé par une société appelée Arnold Engineering Co. sous le nom de Deltamax. L'arrivée de ce matériau magnétique aux États-Unis a suscité un regain d'engouement pour les amplificateurs magnétiques, qui toléraient des conditions extrêmes et ne brûlaient pas comme des tubes à vide. Les amplis magnétiques ont ainsi trouvé de nombreuses applications dans des environnements exigeants, notamment le contrôle militaire, spatial et industriel.

Au cours des années 1950, l'armée américaine utilisait des amplificateurs magnétiques dans des pilotes automatiques, des appareils de contrôle de tir, des systèmes d'asservissement, des équipements radar et sonar, le missile sol-air RIM-2 Terrier et de nombreux autres rôles. Un manuel de formation de la marine de 1951 expliquait en détail les amplificateurs magnétiques, bien qu'avec une attitude défensive à propos de leur histoire : « De nombreux ingénieurs ont l'impression que les Allemands ont inventé l'amplificateur magnétique ; en fait, c'est une invention américaine. appareil, amélioré l'efficacité et le temps de réponse, réduit le poids et l'encombrement, élargi son champ d'application et nous l'a rendu."

Le programme spatial américain a également largement utilisé les amplificateurs magnétiques en raison de leur fiabilité. Par exemple, la fusée Redstone, qui a lancé Alan Shepard dans l'espace en 1961, utilisait des amplificateurs magnétiques. Dans les missions Apollo vers la lune dans les années 1960 et 1970, des amplificateurs magnétiques contrôlaient les alimentations et les ventilateurs. Les satellites de cette époque utilisaient des amplificateurs magnétiques pour le conditionnement du signal, pour la détection et la limitation du courant et pour la télémétrie. Même la navette spatiale a utilisé des amplificateurs magnétiques pour atténuer ses lumières fluorescentes.

Des amplificateurs magnétiques ont également été utilisés dans les fusées Redstone, comme celle montrée ici derrière les astronautes John Glenn, Virgil Grissom et Alan Shepard.Universal Images Group/Getty Images

Les amplificateurs magnétiques ont également été largement utilisés dans le contrôle et l'automatisation industriels, de nombreux produits les contenant étant commercialisés sous des noms de marque tels que General Electric's Amplistat, CGS Laboratories' Increductor, Westinghouse's Cypak (cybernetic package) et Librascope's Unidec (universal decision element).

Les matériaux magnétiques développés en Allemagne pendant la Seconde Guerre mondiale ont eu leur plus grand impact d'après-guerre sur l'industrie informatique. À la fin des années 1940, les chercheurs ont immédiatement reconnu la capacité des nouveaux matériaux magnétiques à stocker des données. Un noyau magnétique circulaire peut être magnétisé dans le sens inverse des aiguilles d'une montre ou dans le sens des aiguilles d'une montre, stockant un 0 ou un 1. Le fait d'avoir ce qu'on appelle une boucle d'hystérésis rectangulaire garantissait que le matériau resterait solidement magnétisé dans l'un de ces états après la coupure de l'alimentation.

Les chercheurs ont rapidement construit ce qu'on a appelé la mémoire centrale à partir de grilles denses de noyaux magnétiques. Et ces technologues sont rapidement passés de l'utilisation de noyaux métalliques bobinés à des noyaux en ferrite, un matériau céramique contenant de l'oxyde de fer. Au milieu des années 1960, les noyaux de ferrite ont été éliminés par milliards alors que les coûts de fabrication tombaient à une fraction de cent par noyau.

Mais la mémoire centrale n'est pas le seul endroit où les matériaux magnétiques ont eu une influence sur les premiers ordinateurs numériques. La première génération de ces machines, à partir des années 1940, était calculée à l'aide de tubes à vide. Ceux-ci ont été remplacés à la fin des années 1950 par une deuxième génération basée sur des transistors, suivie par des ordinateurs de troisième génération construits à partir de circuits intégrés.

Les transistors n'étaient pas un gagnant évident pour les premiers ordinateurs, et de nombreuses autres alternatives ont été développées, y compris les amplificateurs magnétiques.

Mais le progrès technologique en informatique n'était pas, en fait, aussi linéaire. Les premiers transistors n'étaient pas un gagnant évident, et de nombreuses autres alternatives ont été développées. Les amplificateurs magnétiques étaient l'une des nombreuses technologies informatiques largement oubliées qui sont tombées entre les générations.

En effet, les chercheurs du début des années 1950 ont réalisé que les noyaux magnétiques pouvaient non seulement contenir des données, mais également exécuter des fonctions logiques. En mettant plusieurs enroulements autour d'un noyau, les entrées pourraient être combinées. Un bobinage en sens inverse pourrait par exemple inhiber d'autres entrées. Des circuits logiques complexes pourraient être mis en œuvre en connectant ces noyaux ensemble dans divers agencements.

L'amplificateur magnétique exploite le fait que la présence de matériau magnétisable [tan] dans le noyau d'une bobine d'induction augmente son impédance. Réduire l'influence de ce matériau magnétique en le retirant physiquement d'une bobine réduirait son impédance, permettant à plus de puissance de circuler vers une charge CA.

L'influence d'un matériau magnétisable, prenant ici la forme d'un noyau toroïdal [tan], peut être modifiée en appliquant une polarisation continue à l'aide d'une seconde bobine [côté gauche du tore]. L'application d'un courant de polarisation CC suffisant pour forcer le matériau dans un état appelé saturation - un état dans lequel il ne peut pas devenir plus magnétisé - équivaut fonctionnellement à retirer le matériau de la bobine, ce qui permet à plus de puissance de circuler vers la charge CA.

Un circuit plus réaliste comprendrait deux bobines AC à contre-enroulement, pour éviter d'induire des courants dans l'enroulement de commande. Il comprendrait également des diodes, représentées ici dans une configuration en pont, permettant au circuit de contrôler une charge CC. Des bobines de rétroaction [non illustrées] peuvent être utilisées pour augmenter l'amplification. David Schneider

En 1956, la Sperry Rand Co. a développé un amplificateur magnétique à grande vitesse appelé le Ferractor, capable de fonctionner à plusieurs mégahertz. Chaque Ferractor a été construit en enroulant une douzaine d'enveloppes de ruban Permalloy d'un huitième de millième (environ 3 micromètres) autour d'une bobine en acier inoxydable non magnétique de 0,1 pouce (2,5 mm).

La performance du Ferractor était due à la finesse remarquable de cette bande en combinaison avec les dimensions minuscules de la bobine. Sperry Rand a utilisé le Ferractor dans un ordinateur militaire appelé Univac Magnetic Computer, également connu sous le nom d'ordinateur Air Force Cambridge Research Center (AFCRC). Cette machine contenait 1 500 Ferractors et 9 000 diodes au germanium, ainsi que quelques transistors et tubes à vide.

Sperry Rand a ensuite créé des ordinateurs professionnels basés sur l'ordinateur AFCRC: l'Univac Solid State (connu en Europe sous le nom de Univac Calculating Tabulator) suivi de l'ordinateur STEP (Simple Transition Electronic Processing) moins cher. Bien que l'Univac Solid State ne soit pas tout à fait à la hauteur de son nom - son processeur utilisait 20 tubes à vide - il était modérément populaire, avec des centaines d'exemplaires vendus.

Une autre division de Sperry Rand a construit un ordinateur appelé Bogart pour aider au décryptage de code à la National Security Agency des États-Unis. Les fans de Casablanca et de Key Largo seront déçus d'apprendre que cet ordinateur porte le nom du célèbre éditeur du New York Sun John Bogart. Cet ordinateur relativement petit a gagné ce nom parce qu'il éditait des données cryptographiques avant qu'elles ne soient traitées par les plus gros ordinateurs de la NSA.

Cinq ordinateurs Bogart ont été livrés à la NSA entre 1957 et 1959. Ils utilisaient un nouveau circuit d'amplification magnétique conçu par Seymour Cray, qui a ensuite créé les célèbres superordinateurs Cray. Apparemment, parmi ses dizaines de brevets, Cray était le plus fier de sa conception d'amplificateur magnétique.

Cependant, les ordinateurs basés sur des amplificateurs magnétiques ne fonctionnaient pas toujours aussi bien. Par exemple, au début des années 1950, l'industriel milliardaire suédois Axel Wenner-Gren a créé une gamme d'ordinateurs à tube à vide, appelée ALWAC (Axel L. Wenner-Gren Automatic Computer). En 1956, il a déclaré au Federal Reserve Board des États-Unis qu'il pourrait livrer une version à amplificateur magnétique, l'ALWAC 800, en 15 mois. Après que le Federal Reserve Board ait payé 231 800 $ US, le développement de l'ordinateur s'est heurté à des difficultés d'ingénierie et le projet s'est soldé par un échec total.

Les progrès des transistors au cours des années 1950 ont entraîné, bien sûr, le déclin des ordinateurs utilisant des amplificateurs magnétiques. Mais pendant un certain temps, il n'était pas clair quelle technologie était supérieure. Au milieu des années 1950, par exemple, Sperry Rand débattait entre les amplificateurs magnétiques et les transistors pour l'Athena, un ordinateur 24 bits pour contrôler le missile nucléaire Titan. Cray a construit deux ordinateurs équivalents pour comparer les technologies : le Magstec (ordinateur de test de commutateur magnétique) utilisait des amplificateurs magnétiques, tandis que le Transtec (ordinateur de test de transistor) utilisait des transistors. Bien que le Magstec ait légèrement mieux fonctionné, il devenait clair que les transistors étaient la vague du futur. Sperry Rand a donc construit l'ordinateur Univac Athena à partir de transistors, reléguant les amplis magnétiques à des fonctions mineures à l'intérieur de l'alimentation de l'ordinateur.

En Europe aussi , le transistor se battait avec l'amplificateur magnétique. Par exemple, les ingénieurs de Ferranti, au Royaume-Uni, ont développé des circuits d'amplification magnétique pour leurs ordinateurs. Mais ils ont découvert que les transistors fournissaient une amplification plus fiable, ils ont donc remplacé l'amplificateur magnétique par un transformateur en conjonction avec un transistor. Ils ont appelé ce circuit le Neuron parce qu'il produisait une sortie si les entrées dépassaient un seuil, analogue à un neurone biologique. Le Neuron est devenu le cœur des ordinateurs professionnels Sirius et Orion de Ferranti.

Un autre exemple est l'ordinateur polonais EMAL-2 de 1958, qui utilisait une logique à noyau magnétique avec 100 tubes à vide. Cet ordinateur 34 bits a été le premier ordinateur numérique réellement productif de Pologne. Il était compact mais lent, n'effectuant qu'environ 150 opérations par seconde.

Et en Union soviétique, l'ordinateur LEM-1 15 bits de 1954 utilisait 3 000 éléments logiques en ferrite (ainsi que 16 000 diodes au sélénium). Il pouvait effectuer 1 200 ajouts par seconde.

En France, des amplificateurs magnétiques ont été utilisés dans le CAB 500 (Calculatrice Arithmétique Binaire 500), vendu en 1960 à des fins scientifiques et techniques par une société appelée Société d'Electronique et d'Automatisme (SEA). Cet ordinateur de bureau 32 bits utilisait un élément logique magnétique appelé Symmag, ainsi que des transistors et une alimentation à tube à vide. En plus d'être programmé en Fortran, Algol ou le langage propre de SEA, le PAF (Programmation Automatique des Formules), le CAB 500 pouvait être utilisé comme calculatrice de bureau.

Certains ordinateurs de cette époque utilisaient des cœurs à ouvertures multiples avec des formes complexes pour implémenter des fonctions logiques. En 1959, les ingénieurs de Bell Laboratories ont développé un élément magnétique en forme d'échelle appelé le Laddic, qui implémentait des fonctions logiques en envoyant des signaux autour de différents "échelons". Ce dispositif a ensuite été utilisé dans certains systèmes de sécurité des réacteurs nucléaires.

Une autre approche dans ce sens était quelque chose appelé l'élément logique Biax - un cube de ferrite avec des trous le long de deux axes. Un autre a été surnommé le transfluxor, qui avait deux ouvertures circulaires. Vers 1961, les ingénieurs du Stanford Research Institute ont construit l'ordinateur logique entièrement magnétique pour l'US Air Force en utilisant de tels dispositifs magnétiques à ouvertures multiples. Doug Engelbart, qui a ensuite inventé la souris et une grande partie de l'interface utilisateur de l'ordinateur moderne, était un ingénieur clé sur cet ordinateur.

Certains ordinateurs de l'époque utilisaient des transistors en combinaison avec des noyaux magnétiques. L'idée était de minimiser le nombre de transistors alors coûteux. Cette approche, appelée logique de transistor central (CTL), a été utilisée dans l' ordinateur britannique Elliott 803 , un petit système introduit en 1959 avec une longueur de mot inhabituelle de 39 bits. L'ordinateur magnétique Burroughs D210 de 1960, un ordinateur compact de seulement 35 livres (environ 16 kilogrammes) conçu pour les applications aérospatiales, utilisait également une logique à transistor central.

Cette carte d'un IBM System/360 de 1966 [en haut] montre une partie de la mémoire à noyau magnétique de la machine, qui utilisait de petits anneaux de ferrite à travers lesquels des fils étaient enfilés [en bas]. En haut : Maximilian Schönherr/picture-alliance/dpa/AP ; En bas : Sheila Terry/Laboratoire Rutherford Appleton/Source scientifique

La logique à transistor central était particulièrement populaire pour les applications spatiales. Une société appelée Di/An Controls a produit une gamme de circuits logiques et a affirmé que "la plupart des véhicules spatiaux en sont remplis". Le Pico-Bit de la société était un produit concurrent à logique de transistor central, annoncé en 1964 comme "Votre meilleur morceau dans l'espace". Les premiers prototypes de l'ordinateur de guidage Apollo de la NASA ont été construits avec une logique de transistor central, mais en 1962, les concepteurs du MIT ont fait un passage risqué aux circuits intégrés.

Même certains ordinateurs "entièrement transistorisés" utilisaient des amplificateurs magnétiques ici et là. Le MIT TX-2 de 1958 les utilisait pour contrôler ses moteurs de lecteur de bande, tandis que l'IBM 7090, introduit en 1959, et les mainframes populaires IBM System/360, introduits en 1964, utilisaient des amplificateurs magnétiques pour réguler leurs alimentations. Le mini-ordinateur 160 de Control Data Corp. de 1960 utilisait un amplificateur magnétique dans sa machine à écrire de console. Les amplificateurs magnétiques étaient trop lents pour les circuits logiques du supercalculateur Univac LARC de 1960, mais ils étaient utilisés pour piloter sa mémoire centrale.

Dans les années 1950, les ingénieurs de la marine américaine avaient appelé les amplificateurs magnétiques "une étoile montante" et l'une des "merveilles de l'électronique d'après-guerre". Pas plus tard qu'en 1957, plus de 400 ingénieurs ont assisté à une conférence sur les amplificateurs magnétiques. Mais l'intérêt pour ces dispositifs a régulièrement diminué au cours des années 1960 lorsque les transistors et autres semi-conducteurs ont pris le relais.

Pourtant, longtemps après que tout le monde ait pensé que ces appareils étaient destinés au tas de poussière de l'histoire, les amplis magnétiques ont trouvé une nouvelle application. Au milieu des années 1990, la norme ATX pour les ordinateurs personnels exigeait une alimentation électrique de 3,3 volts soigneusement régulée. Il s'est avéré que les amplificateurs magnétiques étaient un moyen peu coûteux mais efficace de contrôler cette tension, faisant de l'ampli magnétique un élément clé de la plupart des alimentations pour PC. Comme auparavant, ce renouveau des amplificateurs magnétiques n'a pas duré : les régulateurs DC-DC ont largement remplacé les amplificateurs magnétiques dans les alimentations électriques modernes.

Dans l'ensemble, l'histoire des amplificateurs magnétiques s'étend sur environ un siècle, ils sont devenus populaires puis ont disparu plusieurs fois. Vous auriez du mal à trouver un ampli magnétique dans le matériel électronique produit aujourd'hui, mais peut-être qu'une nouvelle application - peut-être pour l'informatique quantique, les éoliennes ou les véhicules électriques - leur redonnera vie.