El rival olvidado del tubo de vacío

Los amplificadores magnéticos, la tecnología alternativa del Tercer Reich, duraron hasta la era de Internet

Los amplificadores magnéticos se utilizaron en el estado sólido Univac, que se muestra aquí en funcionamiento en 1961 por la pionera científica informática Grace Hopper.

Durante la Segunda Guerra Mundial, el ejército alemán desarrolló lo que en ese momento eran algunas tecnologías muy sofisticadas, incluidos los cohetes V-2 que utilizó para causar destrucción en Londres. Sin embargo, el V-2, junto con muchos otros equipos militares alemanes, dependía de un componente oscuro y aparentemente anticuado del que probablemente nunca haya oído hablar, algo llamado amplificador magnético o mag amp.

En los Estados Unidos, los amplificadores magnéticos se habían considerado obsoletos durante mucho tiempo: "demasiado lentos, engorrosos e ineficientes para tomarlos en serio", según una fuente. Así que los expertos en electrónica militar de EE. UU. de esa época estaban desconcertados por el amplio uso alemán de este dispositivo, del que se enteraron por primera vez al interrogar a los prisioneros de guerra alemanes. ¿Qué sabían los ingenieros del Tercer Reich que había eludido a los estadounidenses?

Después de la guerra, los oficiales de inteligencia estadounidenses recorrieron Alemania en busca de información científica y técnica útil. Cuatrocientos expertos examinaron miles de millones de páginas de documentos y enviaron 3,5 millones de páginas microfilmadas a Estados Unidos, junto con casi 200 toneladas de equipo industrial alemán. Entre esta masa de información y equipo estaba el secreto de los amplificadores magnéticos de Alemania: aleaciones de metal que hacían estos dispositivos compactos, eficientes y confiables.

Los ingenieros estadounidenses pronto pudieron reproducir esas aleaciones. Como resultado, las décadas de 1950 y 1960 vieron un renacimiento de los amplificadores magnéticos, durante los cuales se utilizaron ampliamente en las industrias militar, aeroespacial y de otro tipo. Incluso aparecieron en algunas de las primeras computadoras digitales de estado sólido antes de dar paso por completo a los transistores. Hoy en día, esa historia está casi olvidada. Así que aquí voy a ofrecer la historia poco conocida del amplificador magnético.

Un amplificador, por definición, es un dispositivo que permite que una pequeña señal controle una más grande. Un tubo de vacío de triodo antiguo hace eso usando un voltaje aplicado a su electrodo de rejilla. Un transistor de efecto de campo moderno lo hace utilizando un voltaje aplicado a su puerta. El amplificador magnético ejerce el control electromagnéticamente.

Los amplificadores magnéticos se usaron para una variedad de aplicaciones, incluso en los infames cohetes V-2 [arriba] que el ejército alemán empleó durante la Segunda Guerra Mundial y en la computadora Magstec [centro], completada en 1956. La computadora británica Elliot 803 de 1961 [abajo] usó lógica de transistor de núcleo relacionada. Desde arriba: fotos de Fox/Getty Images; Remington Rand Univac; Archivo Smith/Alamy

Para entender cómo funciona, primero considere un inductor simple, por ejemplo, un alambre enrollado alrededor de una barra de hierro. Tal inductor tenderá a bloquear el flujo de corriente alterna a través del cable. Eso es porque cuando fluye la corriente, la bobina crea un campo magnético alterno, concentrado en la barra de hierro. Y ese campo magnético variable induce voltajes en el cable que actúan para oponerse a la corriente alterna que creó el campo en primer lugar.

Si dicho inductor transporta mucha corriente, la varilla puede alcanzar un estado llamado saturación, en el que el hierro no puede magnetizarse más de lo que ya está. Cuando eso sucede, la corriente pasa a través de la bobina prácticamente sin obstáculos. La saturación suele ser indeseable, pero el amplificador magnético aprovecha este efecto.

Físicamente, un amplificador magnético se construye alrededor de un núcleo metálico de material que se puede saturar fácilmente, generalmente un anillo o bucle cuadrado con un cable enrollado alrededor. Un segundo cable también enrollado alrededor del núcleo forma un devanado de control. El devanado de control incluye muchas vueltas de cable, por lo que al pasar una corriente directa relativamente pequeña a través de él, el núcleo de hierro puede forzarse a entrar o salir de la saturación.

Por lo tanto, el amplificador magnético se comporta como un interruptor: cuando está saturado, deja pasar la corriente alterna en su devanado principal sin obstáculos; cuando no está saturado, bloquea esa corriente. La amplificación se produce porque una corriente de control de CC relativamente pequeña puede modificar una corriente de carga de CA mucho mayor.

La historia de los amplificadores magnéticos comienza en los Estados Unidos con algunas patentes presentadas en 1901. Para 1916, los grandes amplificadores magnéticos se usaban para la radiotelefonía transatlántica, llevados a cabo con un invento llamado alternador Alexanderson, que producía una alta potencia, alta corriente alterna de frecuencia para el transmisor de radio. Un amplificador magnético modulaba la salida del transmisor de acuerdo con la fuerza de la señal de voz a transmitir.

Un manual de entrenamiento de la Armada de 1951 explicaba en detalle los amplificadores magnéticos, aunque con una actitud defensiva sobre su historia.

En la década de 1920, las mejoras en los tubos de vacío hicieron obsoleta esta combinación de alternador Alexanderson y amplificador magnético. Esto dejó que el amplificador magnético desempeñara solo papeles menores, como atenuadores de luz en los teatros.

Los éxitos posteriores de Alemania con los amplificadores magnéticos dependieron en gran medida del desarrollo de aleaciones magnéticas avanzadas. Un amplificador magnético construido con estos materiales cambia bruscamente entre los estados de encendido y apagado, proporcionando un mayor control y eficiencia. Sin embargo, estos materiales eran exquisitamente sensibles a las impurezas, las variaciones en el tamaño y la orientación del cristal e incluso la tensión mecánica. Por lo tanto, requerían un proceso de fabricación exigente.

El material alemán de mejor desempeño, desarrollado en 1943, se llamó Permenorm 5000-Z. Era una aleación de níquel-hierro cincuenta/cincuenta extremadamente pura, fundida bajo un vacío parcial. Luego, el metal se laminó en frío tan delgado como el papel y se enrolló alrededor de una forma no magnética. El resultado se parecía a un rollo de cinta, con un delgado metal Permenorm formando la cinta. Después del bobinado, el módulo se recoció en hidrógeno a 1100 °C durante 2 horas y luego se enfrió rápidamente. Este proceso orientó los cristales de metal para que se comportaran como un gran cristal con propiedades uniformes. Solo después de hacer esto, los cables se envolvieron alrededor del núcleo.

Para 1948, los científicos del Laboratorio de Artillería Naval de EE. UU., en Maryland, habían descubierto cómo fabricar esta aleación, que pronto fue comercializada por una empresa llamada Arnold Engineering Co. con el nombre de Deltamax. La llegada de este material magnético a los Estados Unidos provocó un renovado entusiasmo por los amplificadores magnéticos, que toleraban condiciones extremas y no se quemaban como los tubos de vacío. Por lo tanto, los amplificadores magnéticos encontraron muchas aplicaciones en entornos exigentes, especialmente militares, espaciales y de control industrial.

Durante la década de 1950, el ejército de EE. UU. usaba amplificadores magnéticos en pilotos automáticos, aparatos de control de incendios, servosistemas, equipos de radar y sonar, el misil tierra-aire RIM-2 Terrier y muchas otras funciones. Un manual de entrenamiento de la Marina de 1951 explicaba los amplificadores magnéticos en detalle, aunque con una actitud defensiva sobre su historia: "Muchos ingenieros tienen la impresión de que los alemanes inventaron el amplificador magnético; en realidad es un invento estadounidense. Los alemanes simplemente tomaron nuestro comparativamente crudo dispositivo, mejoró la eficiencia y el tiempo de respuesta, redujo el peso y el volumen, amplió su campo de aplicación y nos lo devolvió".

El programa espacial de EE. UU. también hizo un uso extensivo de amplificadores magnéticos debido a su confiabilidad. Por ejemplo, el cohete Redstone, que lanzó a Alan Shepard al espacio en 1961, usaba amplificadores magnéticos. En las misiones Apolo a la Luna durante las décadas de 1960 y 1970, los amplificadores magnéticos controlaban las fuentes de alimentación y los ventiladores. Los satélites de esa época usaban amplificadores magnéticos para el acondicionamiento de señales, para la detección y limitación de corriente y para la telemetría. Incluso el transbordador espacial usó amplificadores magnéticos para atenuar sus luces fluorescentes.

Los amplificadores magnéticos también se usaron en los cohetes Redstone, como el que se muestra aquí detrás de los astronautas John Glenn, Virgil Grissom y Alan Shepard.Universal Images Group/Getty Images

Los amplificadores magnéticos también encontraron un uso intensivo en el control y la automatización industrial, y muchos productos que los contienen se comercializan con marcas como Amplistat de General Electric, Increductor de CGS Laboratories, Cypak de Westinghouse (paquete cibernético) y Unidec de Librascope (elemento de decisión universal).

Los materiales magnéticos Sin embargo, desarrollado en Alemania durante la Segunda Guerra Mundial tuvo su mayor impacto de posguerra en la industria informática. A fines de la década de 1940, los investigadores reconocieron de inmediato la capacidad de los nuevos materiales magnéticos para almacenar datos. Un núcleo magnético circular podría magnetizarse en el sentido contrario a las agujas del reloj o en el sentido de las agujas del reloj, almacenando un 0 o un 1. Tener lo que se conoce como un bucle de histéresis rectangular aseguraba que el material permanecería sólidamente magnetizado en uno de estos estados después de que se desconectara la alimentación.

Los investigadores pronto construyeron lo que se llamó memoria central a partir de densas redes de núcleos magnéticos. Y estos tecnólogos pronto cambiaron el uso de núcleos de metal enrollado por núcleos hechos de ferrita, un material cerámico que contiene óxido de hierro. A mediados de la década de 1960, los núcleos de ferrita se eliminaron por miles de millones a medida que los costos de fabricación se redujeron a una fracción de centavo por núcleo.

Pero la memoria central no es el único lugar donde los materiales magnéticos influyeron en las primeras computadoras digitales. La primera generación de esas máquinas, a partir de la década de 1940, computaba usando tubos de vacío. Estos fueron reemplazados a fines de la década de 1950 con una segunda generación basada en transistores, seguida por computadoras de tercera generación construidas a partir de circuitos integrados.

Los transistores no fueron un ganador obvio para las primeras computadoras, y se desarrollaron muchas otras alternativas, incluidos los amplificadores magnéticos.

Pero el progreso tecnológico en computación no fue, de hecho, tan lineal. Los primeros transistores no fueron un ganador obvio y se desarrollaron muchas otras alternativas. Los amplificadores magnéticos fueron una de varias tecnologías informáticas en gran parte olvidadas que cayeron entre generaciones.

Esto se debe a que los investigadores a principios de la década de 1950 se dieron cuenta de que los núcleos magnéticos no solo podían contener datos, sino también realizar funciones lógicas. Al colocar múltiples devanados alrededor de un núcleo, las entradas podrían combinarse. Un devanado en sentido contrario podría inhibir otras entradas, por ejemplo. Se podrían implementar circuitos lógicos complejos conectando dichos núcleos en varios arreglos.

El amplificador magnético aprovecha el hecho de que la presencia de material magnetizable [tan] en el núcleo de una bobina de inducción aumenta su impedancia. Reducir la influencia de ese material magnético al retirarlo físicamente de una bobina reduciría su impedancia, lo que permitiría que fluya más energía a una carga de CA.

La influencia de un material magnetizable, que aquí toma la forma de un núcleo toroidal [bronceado], se puede cambiar aplicando una polarización de CC utilizando una segunda bobina [lado izquierdo del toroide]. Aplicar una corriente de polarización de CC suficiente para forzar al material a una condición llamada saturación, un estado en el que no puede magnetizarse más, es funcionalmente equivalente a retirar el material de la bobina, lo que permite que fluya más energía a la carga de CA.

Un circuito más realista incluiría dos bobinas de CA contrabobinadas, para evitar inducir corrientes en el devanado de control. También incluiría diodos, que se muestran aquí en una configuración de puente, lo que permite que el circuito controle una carga de CC. Las bobinas de retroalimentación [no se muestran] se pueden usar para aumentar la amplificación. David Schneider

En 1956, Sperry Rand Co. desarrolló un amplificador magnético de alta velocidad llamado Ferractor, capaz de operar a varios megahercios. Cada Ferractor se construyó enrollando una docena de vueltas de cinta Permalloy de un octavo de mil (aproximadamente 3 micrómetros) alrededor de una bobina de acero inoxidable no magnética de 0,1 pulgadas (2,5 mm).

El rendimiento de Ferractor se debió a la notable delgadez de esta cinta en combinación con las diminutas dimensiones de la bobina. Sperry Rand usó el Ferractor en una computadora militar llamada Computadora Magnética Univac, también conocida como la computadora del Centro de Investigación de Cambridge de la Fuerza Aérea (AFCRC). Esta máquina contenía 1.500 Ferractores y 9.000 diodos de germanio, así como algunos transistores y válvulas de vacío.

Más tarde, Sperry Rand creó computadoras comerciales basadas en la computadora AFCRC: Univac Solid State (conocida en Europa como Univac Calculating Tabulator) seguida de la computadora STEP (Simple Transition Electronic Processing) menos costosa. Aunque Univac Solid State no estuvo completamente a la altura de su nombre, su procesador usaba 20 tubos de vacío, fue moderadamente popular, con cientos vendidos.

Otra división de Sperry Rand construyó una computadora llamada Bogart para ayudar con el descifrado de códigos en la Agencia de Seguridad Nacional de EE. UU. Los fanáticos de Casablanca y Key Largo se sentirán decepcionados al saber que esta computadora lleva el nombre del conocido editor del New York Sun, John Bogart. Esta computadora relativamente pequeña ganó ese nombre porque editó datos criptográficos antes de que fueran procesados ​​por las computadoras más grandes de la NSA.

Cinco computadoras Bogart fueron entregadas a la NSA entre 1957 y 1959. Emplearon un novedoso circuito amplificador magnético diseñado por Seymour Cray, quien luego creó las famosas supercomputadoras Cray. Según se informa, de sus docenas de patentes, Cray estaba más orgulloso de su diseño de amplificador magnético.

Sin embargo, las computadoras basadas en amplificadores magnéticos no siempre funcionaron tan bien. Por ejemplo, a principios de la década de 1950, el industrial multimillonario sueco Axel Wenner-Gren creó una línea de computadoras de tubo de vacío, llamada ALWAC (Axel L. Wenner-Gren Automatic Computer). En 1956, le dijo a la Junta de la Reserva Federal de EE. UU. que podía entregar una versión de amplificador magnético, el ALWAC 800, en 15 meses. Después de que la Junta de la Reserva Federal pagara US $ 231,800, el desarrollo de la computadora tuvo dificultades de ingeniería y el proyecto terminó en un fracaso total.

Los avances en transistores durante la década de 1950 condujeron, por supuesto, al declive de las computadoras que utilizan amplificadores magnéticos. Pero durante un tiempo, no estuvo claro qué tecnología era superior. A mediados de la década de 1950, por ejemplo, Sperry Rand se debatía entre amplificadores magnéticos y transistores para Athena, una computadora de 24 bits para controlar el misil nuclear Titán. Cray construyó dos computadoras equivalentes para comparar las tecnologías cabeza a cabeza: Magstec (computadora de prueba de interruptores magnéticos) usaba amplificadores magnéticos, mientras que Transtec (computadora de prueba de transistores) usaba transistores. Aunque el Magstec se desempeñó un poco mejor, se hizo evidente que los transistores eran la ola del futuro. Entonces, Sperry Rand construyó la computadora Univac Athena a partir de transistores, relegando los amplificadores magnéticos a funciones menores dentro de la fuente de alimentación de la computadora.

En Europa también , el transistor estaba luchando con el amplificador magnético. Por ejemplo, los ingenieros de Ferranti, en el Reino Unido, desarrollaron circuitos amplificadores magnéticos para sus computadoras. Pero descubrieron que los transistores brindaban una amplificación más confiable, por lo que reemplazaron el amplificador magnético con un transformador junto con un transistor. Llamaron a este circuito la Neurona porque producía una salida si las entradas excedían un umbral, análogo a una neurona biológica. El Neuron se convirtió en el corazón de las computadoras comerciales Sirius y Orion de Ferranti.

Otro ejemplo es la computadora polaca EMAL-2 de 1958, que utilizó lógica de núcleo magnético junto con 100 tubos de vacío. Esta computadora de 34 bits fue la primera computadora digital verdaderamente productiva de Polonia. Era compacto pero lento, y solo realizaba unas 150 operaciones por segundo.

Y en la Unión Soviética, la computadora LEM-1 de 15 bits de 1954 usó 3000 elementos lógicos de ferrita (junto con 16 000 diodos de selenio). Podría realizar 1.200 adiciones por segundo.

En Francia, se utilizaron amplificadores magnéticos en el CAB 500 (Calculatrice Arithmétique Binaire 500), vendido en 1960 para uso científico y técnico por una empresa llamada Société d'Electronique et d'Automatisme (SEA). Esta computadora del tamaño de un escritorio de 32 bits usaba un elemento lógico magnético llamado Symmag, junto con transistores y una fuente de alimentación de tubo de vacío. Además de programarse en Fortran, Algol o el lenguaje propio de SEA, PAF (Programmation Automatique des Formules), el CAB 500 podría usarse como una calculadora de escritorio.

Algunas computadoras de esta era usaban núcleos de múltiples aperturas con formas complejas para implementar funciones lógicas. En 1959, los ingenieros de Bell Laboratories desarrollaron un elemento magnético en forma de escalera llamado Laddic, que implementaba funciones lógicas enviando señales a través de diferentes "peldaños". Este dispositivo se utilizó posteriormente en algunos sistemas de seguridad de reactores nucleares.

Otro enfoque a lo largo de estas líneas fue algo llamado elemento lógico Biax: un cubo de ferrita con agujeros a lo largo de dos ejes. Otro se denominó transfluxor, que tenía dos aberturas circulares. Alrededor de 1961, los ingenieros del Instituto de Investigación de Stanford construyeron la computadora lógica totalmente magnética para la Fuerza Aérea de los EE. UU. utilizando dispositivos magnéticos de múltiples aperturas. Doug Engelbart, quien inventó el mouse y gran parte de la interfaz de usuario de la computadora moderna, fue un ingeniero clave en esta computadora.

Algunas computadoras de la época usaban transistores en combinación con núcleos magnéticos. La idea era minimizar la cantidad de transistores entonces costosos. Este enfoque, llamado lógica de transistor central (CTL), se usó en la computadora británica Elliott 803, un pequeño sistema introducido en 1959 con una longitud de palabra inusual de 39 bits. La computadora magnética Burroughs D210 de 1960, una computadora compacta de solo 35 libras (alrededor de 16 kilogramos) diseñada para aplicaciones aeroespaciales, también usaba lógica de transistor de núcleo.

Esta placa de un IBM System/360 de 1966 [arriba] muestra parte de la memoria de núcleo magnético de la máquina, que utilizaba pequeños anillos de ferrita a través de los cuales se pasaban los cables [abajo]. Arriba: Maximilian Schönherr/picture-alliance/dpa/AP ; Abajo: Sheila Terry/Laboratorio Rutherford Appleton/Science Source

La lógica del transistor central fue particularmente popular para las aplicaciones espaciales. Una empresa llamada Di/An Controls produjo una línea de circuitos lógicos y afirmó que "la mayoría de los vehículos espaciales están repletos de ellos". El Pico-Bit de la compañía era un producto de lógica de transistor de núcleo de la competencia, anunciado en 1964 como "Tu mejor bit en el espacio". Los primeros prototipos de la computadora de orientación Apollo de la NASA se construyeron con lógica de transistor central, pero en 1962 los diseñadores del MIT hicieron un cambio arriesgado a los circuitos integrados.

Incluso algunas computadoras "totalmente transistorizadas" hicieron uso de amplificadores magnéticos aquí y allá. El MIT TX-2 de 1958 los usó para controlar sus motores de cinta, mientras que el IBM 7090, presentado en 1959, y los populares mainframes IBM System/360, presentados en 1964, usaban amplificadores magnéticos para regular sus fuentes de alimentación. La minicomputadora 160 de Control Data Corp. de 1960 usaba un amplificador magnético en su máquina de escribir de consola. Los amplificadores magnéticos eran demasiado lentos para los circuitos lógicos de la supercomputadora Univac LARC de 1960, pero se usaban para impulsar su memoria central.

En la década de 1950, Los ingenieros de la Marina de los EE. UU. habían llamado a los amplificadores magnéticos "una estrella en ascenso" y una de "las maravillas de la electrónica de posguerra". Todavía en 1957, más de 400 ingenieros asistieron a una conferencia sobre amplificadores magnéticos. Pero el interés en estos dispositivos disminuyó constantemente durante la década de 1960 cuando los transistores y otros semiconductores tomaron el relevo.

Sin embargo, mucho después de que todos pensaran que estos dispositivos estaban destinados al montón de polvo de la historia, los amplificadores magnéticos encontraron una nueva aplicación. A mediados de la década de 1990, el estándar ATX para computadoras personales requería una fuente de alimentación de 3,3 voltios cuidadosamente regulada. Resultó que los amplificadores magnéticos eran una forma económica pero eficiente de controlar este voltaje, lo que convirtió al amplificador magnético en una parte clave de la mayoría de las fuentes de alimentación de las PC. Como antes, este renacimiento de los amplificadores magnéticos no duró mucho: los reguladores de CC-CC han reemplazado en gran medida a los amplificadores magnéticos en las fuentes de alimentación modernas.

Con todo, la historia de los amplificadores magnéticos abarca aproximadamente un siglo, y se volvieron populares y luego desaparecieron varias veces. Sería difícil encontrar un amplificador magnético en el hardware electrónico producido hoy, pero tal vez alguna aplicación nueva, tal vez para computación cuántica, turbinas eólicas o vehículos eléctricos, les dé vida una vez más.