Тяжкий путь первопроходца: история компьютера Foonly F1

Дмитрий Мороз

Тяжкий путь первопроходца: история компьютера Foonly F1

Если бы этот компьютер получил малейшую неисправность, мы бы никогда не закончили фильм.

Ричард Тейлор,продюсер спецэффектов к фильму «Трон»

Судьба первопроходцев терниста и зачастую печальна. Компьютер Foonly F1, создатели которого внёсли гигантский вклад в становление и развитие компьютерной графики и цифровых спецэффектов, столь незаслуженно обделён вниманием и сегодня, к сожалению, мало кому известен. Однако история обязательно должна знать своих героев!

Пределу совершенства нет

В 1968 году компания Digital Equipment Corporation (DEC) выпустила компьютер KA10, являвшийся первым представителем нового семейства 16-разрядных мини-компьютеров PDP-10 (Programmed Data Processor model 10 – программируемый обработчик данных, модель 10). Эти системы получили широкую распространённость и стали легендами компьютерной истории. Кроме систем автоматизированного проектирования, контроля производственных процессов, научно-исследовательских расчётов и других отраслей, PDP­10 применялись и в секторе образования, став «стартовой площадкой» для многих известных деятелей компьютерной индустрии.

Стэнфордский университет был одним из таких заведений. Первоначально Лаборатория Искусственного Интеллекта при Стэнфорде (Stanford Artificial Intelligence Laboratory – SAIL), финансируемая DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency – агентство передовых оборонных исследовательских проектов), использовала компьютеры PDP-10 для своих исследований. Однако позже из-за ограничений, которые накладывал устаревший механизм разделения машинного времени (появившийся ещё в 1959 году в PDP-1), было принято решение создать клон KA10, устранив критические для SAIL недостатки архитектуры компьютера.

Так стартовал проект Super Foonly. Название произошло от выдаваемого ассемблером PDP-10 сообщения об ошибке «FOO is Not a Legal Identifier», которое в SAIL называли сокращённо FOO NLI.

Ядром группы, занимавшейся проектированием системы, были три человека – Дейв Пул (Dave Poole), Фил Петти (Phil Pettit) и Джек Холоуэй (Jack Holloway). В 1974 году DARPA прекратила финансирование проекта Super Foonly, в результате чего большинство разработчиков ушли в DEC, где их наработки были воплощены в новой модели компьютера – KL10.

Пул и компания решили развивать идеи проекта по клонированию PDP-10 самостоятельно, для чего была основана Foonly Inc. Однако из-за отсутствия стартового капитала им пришлось лично обращаться к различным компаниям и крупным исследовательским организациям, предлагая свои услуги.

Родственные души

Кроме Foonly Inc., ещё две компании, Systems Concepts и XKL, занимались разработкой клонов PDP-10. Однако наибольших успехов в этом деле достигли инженеры исследовательского центра Xerox в Пало-Альто (PARC).

Для своих разработок они попросили руководство купить PDP-10, однако получили отказ. В 1969 году Xerox купила компанию Scientific Data Systems (SDS), занимавшуюся производством компьютеров для научных расчётов, и в принудительном порядке снабжала свои подразделения этими системами. Не желая мириться с ситуацией, в течение 1972 года сотрудники PARC самостоятельно спроектировали и сконструировали два клона KA10, истратив всего один миллион долларов. Эти системы, получившие название MAXC (Multiple Access Xerox Computer – компьютер Xerox с множественным доступом), были построены в честь основателя SDS Макса Палевски (Max Palevsky).

От оригинала MAXC отличался, главным образом, поддержкой до 1 Мб памяти (KA10 имел 256 Кб ОЗУ), а также работой под управлением операционной системы TENEX, усовершенствованную версию которой DEC позже выпустила под названием TOPS-20.

Первые шаги

Information International Inc. (III, или Triple-I (Тройное-И)) была основана в 1962 году. Основной бизнес компании в то время заключался в производстве электронно-лучевых трубок высокого разрешения для нужд газетной промышленности. Позже Triple-I использовала свои ЭЛТ для создания цифровых сканеров и принтеров, использовавшихся в теле- и киноиндустрии.

В 1974 году в компанию пришли основатели Foonly Inc. и представили проект разработки клона KA10, намного превосходящего его в производительности. Данное предложение оказалось как нельзя кстати, поскольку в это время Triple-I занималась разработкой новой системы оптического распознавания текста по заказу правительства, которая требовала больших вычислительных мощностей.

Работа стартовала. Трое основателей Foonly Inc. потратили год на разработку, конструирование и отладку нового компьютера, названного F-1. Основную работу выполнял Пул, которому периодически помогал Петти. Холоуэй же приходил на помощь к своим товарищам лишь в наиболее критических ситуациях.

К сожалению, правительственный контракт, для которого Triple-I изначально планировала использовать F-1, был отменён, и компания осталась на руках с очень производительным компьютером, для которого не было никакой работы. Правда, подобная ситуация длилась недолго.

В 1975 году, ко времени окончания работ над F-1, в Triple-I обратились Гари Демос (Gary Demos) и Джон Уитни Младший (John Whitney, Jr.) с предложением организовать производственную группу по кинофильмам (Motion Pictures Product Group – MPPG), которая бы занималась созданием компьютерной графики для нужд теле- и киноиндустрии.

До этого Демос работал в Evans & Sutherland. Однажды он завёл беседу с Айвэном Сазерлендом (Ivan Sutherland), одним из основателей компании, о перспективах использования компьютеров при производстве кинофильмов, итогом которого стало основание Picture/Design Group. Здесь Демос и познакомился с Уитни Младшим, одним из пионеров компьютерной графики. К ним присоединился Джим Блинн (Jim Blinn), ранее трудившийся в национальном аэрокосмическом агентстве США над трёхмерной анимацией космических полётов.

Стоит отметить, что до этого момента Triple-I уже предпринимала «робкие попытки» оказания услуг киношникам: инженеры компании посредством двухмерной анимации создали «зрение андроидов» для фильма «Западный мир» (Westworld).

Компания понимала, что предложение Демоса и Уитни Младшего будет прекрасной возможностью задействовать мощь F1, и ответила согласием.

Первой «пробой пера» MPPG стала работа над продолжением «Западного мира» – «Миром будущего» (Futureworld), вышедшем на экраны в 1976 году. Для этой картины в MPPG была отсканирована голова актёра Питера Фонды (Peter Fonda), которая затем появилась в фильме в виде трёхмерной модели. Кроме того, Triple-I создала несколько рекламных роликов для компании Mercedes-Benz, а также американских телеканалов ABC и KCET.

Корпус с одной из пяти плат, из которых состоял Foonly F1

Для демонстрации возможностей компании MPPG был создан демонстрационный ролик под названием «Адам Пауэрс, жонглёр» (Adam Powers, The Juggler), режиссёром которого стал Ричард Тейлор (Richard Taylor), ранее работавший арт-директором в компании Robert Abel & Associates (специализировалась на создании компьютерной графики для телеиндустрии). Он демонстрировал человека в костюме, жонглирующего геометрическими фигурами: красным конусом, зелёным шаром и синим кубом, которые являлись символами Triple-I. Для создания ролика сотрудники Triple-I использовали примитивную форму технологии «захвата движения» (motion capture): они кадр за кадром фиксировали движения настоящего жонглёра, а затем оцифровали полученные данные и на их основе анимировали трёхмерную модель человека в костюме.

Кадр из ролика «Адам Пауэрс, жонглёр»

Демос и Уитни не собирались довольствоваться мелкими контрактами на постоянной основе. Их основной целью было создание компьютерной графики для нужд киноиндустрии. В надежде на дальнейшее сотрудничество Triple-I создала тестовую трёхмерную анимацию для фильмов «Близкие контакты третьей степени» (Close Encounters of the Third Kind), «Звёздные войны. Эпизод V: Империя наносит ответный удар» (Star Wars. Episode V: Empire Strikes Back) и «Чёрная дыра» (Black Hole). К сожалению, до подписания контракта в случае с этими картинами дело ни разу не дошло.

Первый и, к сожалению, последний серьёзный клиент в лице студии Disney появился у Triple-I лишь спустя пять лет, в начале 80-х. Именно это сотрудничество позднее будет занесено в анналы истории компьютерной графики.

Однако прежде чем продолжить повествование, настал черёд рассказать о внутреннем устройстве F1.

В недрах компьютера

Во многом об архитектуре F1 известно благодаря Дэйву Диеру (Dave Dyer), ранее работавшему с компьютером. Информация о системе, расположенная на его страничке в Интернете, а также немногие крохи информации, разбросанные на просторах Сети – вот и всё, что осталось от F1. Однако даже этих данных достаточно, чтобы приоткрыть завесу тайны.

Главное отличие F1 от оригинального дизайна Super Foonly заключалось в использовании электронных компонентов, построенных на базе Эмиттерно-связанной логики (Emitter-Coupled Logic, ECL) вместо более медленной Транзисторно-транзисторной логики (Transistor-Transistor Logic, TTL).

Вся «начинка» F1 была собрана на пяти больших платах, соединённых между собой жгутами кабелей. Поскольку использование ECL-микросхем неизбежно вело к большому энергопотреблению и как следствие высокому тепловыделению, каждая плата была установлена в отдельный корпус с собственной системой охлаждения.

Компьютер содержал блок памяти на ферритовых кольцах ёмкостью 1 Мб производства компании Ampex. Дисковая подсистема, построенная на базе контроллера RH-10 компании DEC, состояла из трёх жёстких дисков общей ёмкостью 50 Мб. Один винчестер был системным и содержал всё программное обеспечение, необходимое для работы, тогда как остальные диски, объединённые вместе, были предназначены для хранения двух изображений в высоком разрешении.

Поскольку родного мегабайта оперативной памяти системе едва хватало для работы со сложной графикой, для вывода изображения на экран был изготовлен специальный буфер кадра с собственной памятью объёмом 2 Мб, построенный на базе нескольких сотен чипов статического ОЗУ ёмкостью 4 Кб. Он мог выводить на растровый монитор в череcстрочном (интерлейсном) режиме изображение размером 1024х1024 пикселей и глубиной 18 бит (262 тысячи цветов). Кроме того, во время рендеринга компьютер мог использовать память буфера кадра для хранения промежуточных данных.

В качестве средств ввода информации в F1 использовались два графических планшета производства Talos Systems с размерами 152х122 см. Компьютер предусматривал подключение до четырёх графических терминалов с векторными дисплеями от Tektronix. Присутствовал и накопитель на магнитной ленте, считывавший данные с одной катушки, способной хранить 9 Мб информации, со скоростью 800 бит/с.

Компьютер нельзя было считать самодостаточным, поскольку для его работы необходимо было наличие отдельного KA-10, который выполнял роль «консольного процессора». Поскольку F1, даже будучи работоспособным, всё ещё находился на стадии разработки, отдельный компьютер был необходим для начальной инициализации и загрузки операционной системы. Кроме того, KA-10 использовался в качестве средства для отладки F1, а также устранения постоянно возникавших неполадок. К компьютеру DEC был подключён модем, благодаря которому в случае возникновения внештатной ситуации Дейв Пул мог удалённо провести предварительную диагностику всей системы.

KA-10 как отдельный компьютером, имел собственный набор аппаратного обеспечения: дисковые контроллеры, жёсткие диски, накопители на магнитной ленте и даже матричный принтер. Мучительно долгая загрузка системы происходила с перфокарт, поэтому включение F1 с холодного старта отнимало до часа времени. Тем не менее компьютер, произведённый инженерами Foonly Inc., стал самым быстрым PDP-10 в мире: в то время как KA-10 только-только преодолел рубеж в один миллион операций за секунду (MIPS), F1 мог похвастаться в шесть раз большей производительностью. Теоретически же он мог достигать скоростей вплоть до 10 MIPS.

Для вывода обработанного изображения на киноплёнку к F1 был подключён модифицированный фильм-принтер PFR-80, который печатал на стандартной 35-мм плёнке.

Компьютер без программного обеспечения – всего лишь груда металлолома (хоть на тот момент и очень дорогого). Понимали это и в Triple-I, поэтому параллельно с разработкой F1 кипела работа и над написанием программ, которые должны были работать на нём.

Главным инструментом для создания трёхмерной графики служило ПО под названием TRANEW, созданное группой программистов во главе с Джимом Блинном. Основным языком для написания TRANEW был Фортран, однако наиболее критические части кода были оптимизированы при помощи Ассемблера.

Данные, обрабатываемые TRANEW, можно было вводить вручную посредством специальных команд либо же представлять в виде хеш-таблиц, в которых содержались координаты каждого полигона объекта, отдельные (красный, синий, зелёный) компоненты цвета текстуры, а также координаты расположения камеры и траектории её движения. Для каждого трёхмерного объекта можно было задать собственные параметры освещённости, отражающей способности, прозрачности и т. д.

Компанию TRANEW составляли: ASAS (редактор описания движения объектов в сцене), GEOMED (программа, с помощью которой осуществлялся перенос модели, нарисованной на бумажном чертеже, в цифровую форму) и TWEAK (набор утилит для редактирования трёхмерных объектов). В общей сложности на создание программного обеспечения для F1 ушло 20 человеко-лет.

Ну а теперь, ознакомившись с компьютером, мы можем смело двигаться дальше.

Боевое крещение

В 1980 году Disney посетил начинающий аниматор Стивен Лисбергер (Steven Lisberger), предложивший написанный им сценарий для будущего фильма, повествующего о приключениях внутри компьютера. Поскольку студия в то время страдала от недостатка свежих идей, текст пришёлся руководству по душе.

Работы над фильмом, которому было дано название «ТРОН» (TRON), стартовали в апреле 1981 года. Изначально Лисбергер хотел, чтобы его фильм состоял целиком из компьютерной графики, однако трезвый ум подсказывал ему, что конечный результат обычные зрители вряд ли поймут и оценят, а Disney останется недовольной стоимостью проекта. Однако полностью отказаться от цифровых эффектов было нельзя, поэтому студия и обратилась к Triple-I.

Первоначально на плечи сотрудников отдела MPPG возлагалось создание всей компьютерной графики к фильму. Однако финансовые трудности Triple-I, а также уход Демоса и Уитни Младшего вследствие разногласий с руководством компании, вынудили Disney распределить задачи между несколькими студиями. Таким образом, к проекту присоединились MAGI/Synthavision, Digital Effects и Robert Abel & Associates.

Что же касается Triple-I, на её долю выпало создание «Солнечного парусника», транспортного корабля злодея Сарка и Программы Мастер-контроль.

Кадры из фильма «ТРОН». Транспортный корабль Сарка

Разработка дизайна технических средств в «ТРОН’е» была поручена известным художникам Жану «Мёбиусу» Жиро (Jean «Moebius» Giraud) и Сиду Миду (Syd Mead). Их концепт-рисунки являлись отправной точкой для дальнейшей работы Triple-I.

Художниками MPPG было подготовлено по шесть каркасных чертежей на каждую модель, которые затем отправлялись на сканирование. Используя графический планшет, а также программу GEOMED, художник сканировал пером каждую вершину геометрической фигуры, из которых состояла модель, с бумаги в компьютер. На основе полученных данных выполнялось дальнейшее моделирование объекта.

Благодаря применению полигонального метода проектирования трёхмерных моделей, при котором объект состоит из множества треугольников, называемых полигонами, финальный результат по качеству уходил далеко вперёд по сравнению с моделями, созданными для фильма специалистами MAGI (использовавшими процедурный метод, при котором объект создаётся путём комбинации простейших геометрических фигур). Например, «Солнечный парусник» состоял из 15 тысяч полигонов, что по тем временам было просто невероятной цифрой.

Кадры из фильма «ТРОН». «Солнечный парусник»

Подобная детализация, однако, требовала немалых жертв. После внесения изменений в сцену художнику приходилось ждать несколько минут, прежде чем обновлённый результат появлялся на экране. Рендеринг каждого кадра занимал 20 минут. Его печать на киноплёнке длилась ещё несколько минут. В результате, например, для производства 10 секунд готовой трёхмерной анимации F1 требовалось около 80 часов.

В конечном итоге из 105 минут экранного времени, которые длится «ТРОН», 15 были полностью сгенерированы на компьютере, а ещё 15 минут представляли собой комбинированные съёмки, совмещавшие живых актёров на фоне компьютерных объектов.

Кадры из фильма «ТРОН». Программа Мастер-контроль

Забытьё

Прокатная история «ТРОН’а» была не слишком успешной, что непосредственным образом повлияло на Triple-I, вложившую в фильм все свои силы. Компания была вынуждена в 1982 году закрыть MPPG и сфокусировать свои дальнейшие усилия исключительно на старом бизнесе – производстве оборудования для газетной индустрии.

Foonly F1, оставшийся не у дел, был приобретён Omnibus Computer Graphics, впечатлённой «ТРОН’ом» и возлагавшей на компьютер серьёзные надежды по производству компьютерной графики для телевизионного и кинорынков. Впоследствии эта компания использовала F1 для создания спецэффектов к фильмам «Исследователи» (Explorers) и «Полёт Навигатора» (Flight of the Navigator).

Гари Демос и Джон Уитни Младший, ушедшие из Triple-I, основали собственную компанию, получившую название Digital Productions. Используя суперкомпьютер Cray X-MP, арендованный у самой Cray Inc., а также фильм-принтер под заурядным названием Digital Film Printer (наследник PFR-80), они создали компьютерные спецэффекты для фильмов «Последний звёздный боец» (The Last Starfighter) и «2010».

В стремлении завоевать лидирующие позиции на американском рынке в 1986 году Omnibus приобрела своих главных соперников – компании Robert Abel & Associates и Digital Productions. Однако совершённая покупка негативным образом сказалась на не самых радужных финансовых показателях компании. Год спустя Omnibus, не имеющая средств для дальнейшего существования, была вынуждена объявить себя банкротом, а всё имущество – пустить с молотка.

Впоследствии F1 всплыл в недрах компании Intergon, которая, за гроши выкупив его у предыдущего владельца, пыталась использовать уже давно морально устаревший компьютер по предназначению. Дальнейшая судьба F1, к сожалению, осталась неизвестной.

Что же касается Foonly Inc., после окончания работ над F1, компания построила по заказу различных компаний, нуждающихся в PDP-10, однако не желающих переплачивать за них DEC, ещё четыре различные модели систем (названные соответственно F2…F5). Почти все они были уменьшенными аналогами F1.

Например, архитектурно F2 изначально представлял собой «консольный процессор», который должен был подключаться к предшественнику вместо KA-10.

Недостатком компьютеров Foonly Inc. являлась работа под управлением собственного варианта операционной системы TENEX под названием Foonex, тогда как продукция DEC использовала в качестве ОС TOPS-20. Кроме того, все произведённые компьютеры не были готовыми системами, а представляли собой, как и F1, прототипы в виде нескольких плат, соединённых множеством проводов, что значительно снижало надёжность их работы. Для установки и последующего обслуживания каждой системы необходимо было постоянное присутствие высококвалифицированного персонала.

Данные обстоятельства серьёзно ограничивали рынок, на который могла претендовать компания. К 1983 году Foonly Inc., никогда не обладавшая сколь-нибудь значительными финансовыми активами для поддержания собственной деятельности, лишилась последних заказов и была вынуждена объявить себя банкротом.

В 1999 году Дейв Пул отправился в плавание на собственной яхте и, подобно своему детищу F1, пропал без вести. Тяжкий путь первопроходцев, создателя и его творения, подошёл к концу.

1. http://www.wikipedia.org.
2. http://vhost2.zfx.com/~dave.
3. http://www.accad.ohio-state.edu/~waynec/history/tree.
4. http://www.spies.com/aek/pdf/xerox.
5. http://pdp10.nocrew.org.
6. http://www.tron-sector.com.

Комментарии могут оставлять только зарегистрированные пользователи