Whirlwind I — ламповый компьютер времен Холодной войны , разработанный Лабораторией сервомеханизмов Массачусетского технологического института для ВМС США . Введенный в эксплуатацию в 1951 году, он был одним из первых цифровых электронных компьютеров, которые работали в режиме реального времени для вывода данных, и первым, который не был просто электронной заменой старых механических систем.
Это был один из первых компьютеров, который выполнял побитовые вычисления (а не последовательный ), и был первым, кто использовал память на магнитных сердечниках .
Его разработка привела непосредственно к конструкции Whirlwind II, которая использовалась в качестве основы для системы противовоздушной обороны SAGE ВВС США , а также косвенно почти ко всем бизнес-компьютерам и миникомпьютерам в 1960-х годах [3] , особенно из-за мантры «короткая длина слова, скорость, люди». [4]
Во время Второй мировой войны Лаборатория военно-морских исследований ВМС США обратилась в Массачусетский технологический институт с предложением создать компьютер для управления авиасимулятором для обучения экипажей бомбардировщиков . Они представляли себе довольно простую систему, в которой компьютер будет постоянно обновлять моделируемую приборную панель на основе управляющих сигналов пилотов. В отличие от более старых систем, таких как Link Trainer , система, которую они предполагали, будет иметь значительно более реалистичную модель аэродинамики , которую можно было бы адаптировать к любому типу самолета. Это было важным соображением в то время, когда на вооружение вводилось много новых образцов.
Лаборатория сервомеханизмов в корпусе 32 Массачусетского технологического института [5] провела короткое исследование, которое пришло к выводу, что такая система возможна. Управление военно-морских исследований ВМФ решило профинансировать разработку в рамках проекта «Вихрь» (и его дочерних проектов, проекта «Тайфун» и проекта «Циклон» , совместно с другими учреждениями) [6] , и лаборатория поручила Джею Форрестеру руководить проектом. Вскоре они построили для этой задачи большой аналоговый компьютер , но обнаружили, что он неточен и негибок. Решение этих проблем в общем виде потребовало бы гораздо более крупной системы, возможно, настолько большой, что ее невозможно было бы построить. Джуди Клэпп была одним из первых технических специалистов этой команды.
Перри Кроуфорд , еще один член команды Массачусетского технологического института, видел демонстрацию ENIAC в 1945 году. Затем он предположил, что лучшим решением будет цифровой компьютер. Такая машина позволит повысить точность моделирования за счет добавления большего количества кода в компьютерную программу , а не за счет добавления деталей в машину. Пока машина была достаточно быстрой, не было теоретического предела сложности моделирования.
До этого момента все построенные компьютеры предназначались для выполнения отдельных задач и работали в пакетном режиме . Ряд входных данных был настроен заранее и передан в компьютер, который должен был обработать ответы и распечатать их. Это не подходило для системы Whirlwind, которая должна была постоянно работать с постоянно меняющимися входными данными. Скорость стала серьезной проблемой: в то время как в других системах это просто означало более длительное ожидание распечатки, в Whirlwind это означало серьезное ограничение сложности моделирования.
К 1947 году Форрестер и его соавтор Роберт Эверетт завершили разработку высокоскоростного компьютера с хранимой программой для этой задачи. Большинство компьютеров той эпохи работали в побитовом последовательном режиме , используя однобитовую арифметику и вводя большие слова, часто размером 48 или 60 бит, по одному биту за раз. Это было просто недостаточно быстро для их целей, поэтому Whirlwind включал в себя шестнадцать таких математических модулей, обрабатывающих полное 16-битное слово в каждом цикле в бит-параллельном режиме. Если не учитывать скорость памяти, Whirlwind («20 000 одноадресных операций в секунду» в 1951 году) [7] был по существу в шестнадцать раз быстрее других машин. Сегодня почти все процессоры выполняют арифметические операции в «побитно-параллельном» режиме.
Размер слова был выбран после некоторых размышлений. Машина работала, передавая один адрес почти с каждой инструкцией, тем самым уменьшая количество обращений к памяти. Для операций с двумя операндами, например, при добавлении, «другой» операнд считался загруженным последним. В этом отношении Whirlwind работал во многом как калькулятор обратной польской записи ; за исключением того, что не было стека операндов, только аккумулятор . Разработчики посчитали, что 2048 слов памяти будут минимальным используемым объемом, требующим 11 бит для представления адреса, и что от 16 до 32 инструкций будут минимумом для еще пяти бит — и поэтому получилось 16 бит. [8]
Конструкция Whirlwind включала в себя магазин управления , приводимый в действие главными часами. На каждом этапе тактового сигнала выбиралась одна или несколько сигнальных линий в диодной матрице , которые включали вентили и другие схемы машины. Специальный переключатель направлял сигналы в разные части матрицы для реализации разных инструкций. [ нужна цитата ] В начале 1950-х годов Whirlwind I «падал в среднем каждые 20 минут». [9]
Строительство Whirlwind началось в 1948 году, в нем было занято 175 человек, в том числе 70 инженеров и техников. Использование умножения переноса и сохранения, по-видимому, впервые было использовано в компьютере Whirlwind в конце 1940-х годов. [10] В третьем квартале 1949 года компьютер был достаточно продвинут, чтобы решить уравнение и отобразить его решение на осциллографе, [11] : 11,13 [12] и даже создать первую анимационную и интерактивную компьютерную графическую игру. [ 13] [14] Наконец , 20 апреля 1951 года Whirlwind «успешно выполнил цифровое вычисление курсов перехвата» . стоимость большинства других компьютеров той эпохи. Через три года ВМФ потерял интерес. Однако за это время ВВС заинтересовались использованием компьютеров для решения задачи наземного перехвата , и «Вихрь» был единственной машиной, подходящей для этой задачи. Они взялись за разработку в рамках Project Claude .
Whirlwind весил 20 000 фунтов (10 коротких тонн; 9,1 т) и занимал площадь более 2 000 квадратных футов. [16]
Первоначальная конструкция машины предусматривала 2048 (2 КБ) слов по 16 бит каждое в памяти с произвольным доступом. Единственными двумя доступными технологиями памяти в 1949 году, которые могли хранить столько данных, были ртутные линии задержки и электростатические накопители .
Ртутная линия задержки состояла из длинной трубки, наполненной ртутью , механического преобразователя на одном конце и микрофона на другом конце, очень похожего на пружинный ревербератор , который позже использовался при обработке звука. Импульсы посылались в ртутную линию задержки на одном конце, и им требовалось определенное время, чтобы достичь другого конца. Они были обнаружены микрофоном, усилены, преобразованы в правильную форму импульса и отправлены обратно в линию задержки. Таким образом, говорили, что память рециркулирует.
Линии задержки Меркурия работали примерно со скоростью звука, поэтому были очень медленными с компьютерной точки зрения даже по стандартам компьютеров конца 1940-х и 1950-х годов. Скорость звука в ртути также очень сильно зависела от температуры. Поскольку линия задержки содержала определенное количество бит, частота тактовых импульсов должна была меняться в зависимости от температуры ртути. Если бы линий задержки было много и они не всегда имели одинаковую температуру, данные памяти могли бы легко быть повреждены.
Разработчики Whirlwind быстро отказались от линии задержки как от возможной памяти — она была слишком медленной для предполагаемого авиасимулятора и слишком ненадежной для воспроизводимой производственной системы, для которой Whirlwind должен был стать функциональным прототипом.
Альтернативная форма памяти была известна как «электростатическая». Это была память на электронно-лучевой трубке, во многом похожая на ранние телевизионные кинескопы или трубки осциллографов . Электронная пушка направляла пучок электронов в дальний конец трубки, где они попадали на экран. Луч будет отклоняться и приземляться в определенном месте на экране. Затем луч мог накопить в этой точке отрицательный заряд или изменить уже существующий заряд. Измерив ток луча, можно было определить, было ли пятно первоначально нулем или единицей, и новое значение могло быть сохранено в луче.
В 1949 году существовало несколько разновидностей электростатических запоминающих ламп. Наиболее известной сегодня является трубка Вильямса , разработанная в Англии, но существовал и ряд других, разработанных независимо различными исследовательскими лабораториями. Инженеры Whirlwind рассматривали трубку Уильямса, но решили, что динамический характер хранилища и необходимость частых циклов обновления несовместимы с целями проектирования Whirlwind I. Вместо этого они остановились на конструкции, которая разрабатывалась в Радиационной лаборатории Массачусетского технологического института. . Это была электронная лампа с двумя пушками. Одна пушка излучала остро сфокусированный луч для чтения или записи отдельных битов. Другая пушка представляла собой «проливную пушку», которая распыляла по всему экрану электроны низкой энергии. В результате конструкции эта трубка представляла собой скорее статическое ОЗУ , не требующее циклов обновления, в отличие от трубки Уильямса с динамической оперативной памятью .
В итоге выбор этой трубки оказался неудачным. Трубка Уильямса была значительно лучше развита и, несмотря на необходимость обновления, могла легко удерживать 1024 бита на трубку и была весьма надежной при правильной эксплуатации. Трубка MIT все еще находилась в разработке, и хотя целью было хранить 1024 бита на трубку, эта цель так и не была достигнута, даже через несколько лет после того, как план предусматривал создание полноразмерных функциональных трубок. Кроме того, спецификации предусматривали время доступа в шесть микросекунд, но фактическое время доступа составляло около 30 микросекунд. Поскольку базовое время цикла процессора Whirlwind I определялось временем доступа к памяти, весь процессор работал медленнее, чем предполагалось.
Джей Форрестер отчаянно пытался найти подходящую замену памяти для своего компьютера. Первоначально компьютер имел только 32 слова для хранения, и 27 из этих слов были регистрами только для чтения, состоящими из тумблеров . Остальные пять регистров представляли собой триггерную память, причем каждый из пяти регистров был изготовлен из более чем 30 электронных ламп . Это «тестовое хранилище», как его называли, предназначалось для проверки элементов обработки, пока основная память не была готова. Основная память была настолько запоздалой, что первые эксперименты по отслеживанию самолетов с помощью живых радиолокационных данных проводились с использованием программы, вручную установленной в тестовое хранилище. Форрестер наткнулся на рекламу нового магнитного материала, производимого компанией. Поняв, что это потенциально может стать носителем данных, Форрестер раздобыл верстак в углу лаборатории и взял несколько образцов материала для экспериментов. Затем в течение нескольких месяцев он проводил в лаборатории столько же времени, сколько и в офисе, управляя всем проектом.
В конце этих месяцев он изобрел основы памяти на магнитных сердечниках и продемонстрировал, что это вполне осуществимо. Его демонстрация состояла из небольшой плоскости сердечника из 32 сердечников, каждое диаметром три восьмых дюйма. Продемонстрировав, что концепция практична, ее осталось только свести к работоспособному проекту. Осенью 1949 года Форрестер поручил аспиранту Уильяму Н. Папиану протестировать десятки отдельных сердечников и определить те из них, которые обладают лучшими свойствами. [11] Работа Папяна получила поддержку, когда Форрестер попросил студента Дадли Аллена Бака [17] [18] [19] поработать над материалом и поручил ему работать за верстаком, в то время как Форрестер вернулся к полному управлению проектами. (Бак впоследствии изобрел криотрон и память с адресацией по содержимому в лаборатории.)
Примерно через два года дальнейших исследований и разработок они смогли продемонстрировать базовую плоскость, состоящую из 32 на 32, или 1024 ядер, содержащих 1024 бита данных. Таким образом, они достигли первоначально запланированного размера хранилища электростатической трубки, цель, которая еще не была достигнута самими трубками: в последнем поколении конструкции она содержала только 512 бит на трубку. Очень быстро была изготовлена основная память на 1024 слова, заменившая электростатическую память. Разработка и производство электростатической памяти были полностью отменены, что сэкономило много денег, которые можно было перераспределить в другие области исследований. Позже были изготовлены два дополнительных блока основной памяти, что увеличило общий доступный объем памяти.
В конструкции использовано около 5000 электронных ламп .
Большое количество трубок, используемых в Whirlwind, привело к проблемному проценту отказов, поскольку отказ одной трубки мог привести к отказу системы. Стандартным пентодом в то время был 6AG7, но испытания в 1948 году показали, что его ожидаемый срок службы слишком короток для этого применения. В результате вместо него был выбран 7АД7, но он также имел слишком высокую интенсивность отказов в эксплуатации. Расследование причин сбоев показало, что кремний в вольфрамовом сплаве нити нагревателя вызывал отравление катода ; Отложения ортосиликата бария , образующиеся на катоде , уменьшают или предотвращают его функцию эмиссии электронов . Лампа 7АК7 с вольфрамовой нитью высокой чистоты была тогда специально разработана для Whirlwind компанией Sylvania . [20] : 59–60
Катодное отравление наиболее сильно проявляется, когда трубка работает в отключенном состоянии с включенным нагревателем. Коммерческие лампы предназначались для радио (а позже и телевидения), где они редко используются в таком состоянии. Аналоговые приложения, подобные этим, удерживают трубку в линейной области, тогда как цифровые приложения переключают трубку между отключением и полной проводимостью, лишь на короткое время проходя через линейную область. Кроме того, коммерческие производители ожидали, что их лампы будут использоваться всего несколько часов в день. [20] : 59 Чтобы решить эту проблему, нагреватели были отключены на клапанах, которые не должны были переключаться в течение длительного времени. Напряжение нагревателя включалось и выключалось с помощью медленного нарастания сигнала , чтобы избежать теплового удара по нити нагревателя. [21] : 226
Даже этих мер оказалось недостаточно для достижения необходимой надежности. Зарождающиеся неисправности заранее выявлялись путем тестирования клапанов во время периодов технического обслуживания. Они подвергались стресс-тестам , называемым предельным тестированием , поскольку к клапанам подавали напряжения и сигналы вплоть до расчетных пределов. Эти испытания были разработаны для раннего выхода из строя клапанов, которые в противном случае вышли бы из строя во время эксплуатации. Они проводились автоматически тестовой программой. [20] : 60–61 Статистика содержания за 1950 год показывает успех этих мер. Из 1622 используемых ламп 7AD7 243 вышли из строя, из которых 168 были обнаружены в результате граничных испытаний. Из 1412 используемых ламп 7АК7 18 вышли из строя, из них только 2 вышли из строя при предельной проверке. В результате Whirlwind оказался гораздо более надежным, чем любая коммерчески доступная машина. [20] : 61–62
Многие другие особенности режима испытаний с трубкой Whirlwind не являлись стандартными испытаниями и требовали специально изготовленного оборудования. Одним из условий, требовавших специальных испытаний, было кратковременное замыкание нескольких трубок, вызванное попаданием в трубку мелких предметов, таких как ворс. Случайные ложные короткие импульсы представляют собой незначительную проблему или даже совершенно незаметную в аналоговых схемах, но могут оказаться катастрофическими в цифровых схемах. Они не обнаруживались при стандартных тестах, но их можно было обнаружить вручную, постучав по стеклянной колбе. Для автоматизации этого испытания была построена схема с тиратронным запуском. [21] : 225
После подключения к экспериментальному радару микроволнового раннего предупреждения (MEW) на аэродроме Хэнском с использованием оборудования Джека Харрингтона и коммерческих телефонных линий, [22] самолеты были отслежены с помощью Whirlwind I. [23] Система Кейп-Код впоследствии продемонстрировала компьютеризированную противовоздушную оборону , охватывающую южную часть Новой Англии. . [ уточнить ] Сигналы от трех радаров дальнего действия (AN/FPS-3), одиннадцати радаров с функцией заполнения промежутков и трех радаров определения высоты передавались по телефонным линиям на компьютер Whirlwind I в Кембридже, штат Массачусетс . Проект Whirlwind II для более крупной и быстрой машины (так и не завершенный) лег в основу системы ПВО SAGE IBM AN/FSQ-7 Combat Direction Central .
В Whirlwind использовалось около 5000 электронных ламп. Также были начаты попытки преобразовать конструкцию Whirlwind в транзисторную форму, возглавляемую Кеном Олсеном и известную как TX-0 . TX-0 оказался очень успешным, и планировалось создать еще более крупную версию, известную как TX-1. Однако этот проект был слишком амбициозным, и его пришлось свернуть до уменьшенной версии, известной как TX-2 . Даже эта версия оказалась проблематичной, и Олсен ушел в середине проекта, чтобы основать Digital Equipment Corporation (DEC). PDP-1 от DEC по сути представлял собой набор концепций TX-0 и TX-2 в меньшем корпусе. [24]
После поддержки SAGE Whirlwind I был арендован (1 доллар в год) с 30 июня 1959 по 1974 год участником проекта Уильямом М. Вольфом (1928–2015). Электроэнергия для работы машины стоила 2500 долларов в месяц, а Корпорация исследований и разработок Wolf работала для ВВС и Всемирной игры Бакминстера Фуллера . В конечном итоге перемещение Whirlwind I обошлось в 250 000 долларов, а компания заработала на этом 100 000 долларов. Wolf R&D Corporation была продана EG&G в 1967 году за 5,5 миллионов долларов. [25] [26] [27]
Кен Олсен и Роберт Эверетт спасли машину, которая стала основой Бостонского компьютерного музея в 1979 году. Хотя большая часть машины была потеряна при выводе из эксплуатации, многие ее компоненты сейчас находятся в коллекции Музея истории компьютеров в Маунтин-Вью, Калифорния. и Музей Массачусетского технологического института . [28]
По состоянию на февраль 2009 года основной блок памяти выставлен в Музее промышленности и инноваций Чарльза Ривера в Уолтеме, Массачусетс . Одна плоскость основной памяти, предоставленная Музеем истории компьютеров , выставлена на выставке «Историческая информатика» в здании компьютерных наук Гейтса в Стэнфорде .
В здании, в котором располагался Whirlwind, до недавнего времени располагался ИТ-отдел информационных служб и технологий всего кампуса Массачусетского технологического института, а в 1997–1998 годах ему был восстановлен первоначальный внешний вид. [29]
Из них скорость - наименее важный фактор с исторической точки зрения..люди - очень важный фактор..Кен
Олсен..Бен
Герли
Базовая частота импульсов для работы компьютера составит один мегагерц. […] Компьютер Whirlwind I планируется иметь емкость хранения 2048 чисел по 16 двоичных цифр каждое.
на этот раз для Бостонской корпорации исследований и разработок Wolf. Уильям М. Вольф, президент Бостонской корпорации, считает, что историческую машину можно использовать с пользой разными способами.
42 ° 21'42 "N 71 ° 5'48" W / 42,36167 ° N 71,09667 ° W / 42,36167; -71,09667