Whirlwind I был ламповым компьютером времен Холодной войны , разработанным 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, выполнявших вычисления параллельно (а не последовательно ) и первый в мире использовавший память на магнитных сердечниках .
Его разработка напрямую привела к разработке Whirlwind II, которая стала основой для системы противовоздушной обороны SAGE ВВС США , а косвенно — почти для всех бизнес-компьютеров и мини-компьютеров 1960-х годов [3] , в частности, из-за девиза «короткая длина слова, скорость, люди». [4]
Во время Второй мировой войны Лаборатория военно-морских исследований ВМС США обратилась в Массачусетский технологический институт по поводу возможности создания компьютера для управления летным тренажером для обучения экипажей бомбардировщиков . Они представили довольно простую систему, в которой компьютер будет постоянно обновлять смоделированную приборную панель на основе управляющих сигналов от пилотов. В отличие от старых систем, таких как Link Trainer , система, которую они представили, будет иметь значительно более реалистичную модель аэродинамики , которую можно будет адаптировать к любому типу самолета. Это было важным соображением в то время, когда на вооружение вводилось много новых конструкций.
Лаборатория сервомеханизмов в здании 32 Массачусетского технологического института [5] провела короткое исследование, которое пришло к выводу, что такая система возможна. Управление военно-морских исследований ВМС решило профинансировать разработку в рамках проекта Whirlwind (и его родственных проектов, проекта Typhoon и проекта Cyclone , с другими учреждениями), [6] и лаборатория назначила Джея Форрестера ответственным за проект. Вскоре они построили большой аналоговый компьютер для этой задачи, но обнаружили, что он неточен и негибок. Решение этих проблем в общем виде потребовало бы гораздо более крупной системы, возможно, настолько большой, что ее было бы невозможно построить. Джуди Клэпп была одним из первых старших технических членов этой команды.
Перри Кроуфорд , другой член команды MIT, увидел демонстрацию ENIAC в 1945 году. Затем он предположил, что лучшим решением будет цифровой компьютер. Такая машина позволила бы повысить точность моделирования путем добавления большего количества кода в компьютерную программу , а не путем добавления деталей к машине. Пока машина была достаточно быстрой, не было теоретического предела сложности моделирования.
До этого момента все построенные компьютеры были предназначены для отдельных задач и работали в пакетном режиме . Серия входных данных настраивалась заранее и подавалась в компьютер, который обрабатывал ответы и печатал их. Это не подходило для системы Whirlwind, которой нужно было непрерывно работать с постоянно меняющейся серией входных данных. Скорость стала главной проблемой: в то время как в других системах это просто означало более длительное ожидание распечатки, в Whirlwind это означало серьезное ограничение сложности, которую могла включать симуляция.
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 последовательном битовом режиме , используя однобитовую арифметику и подавая большие слова, часто размером 48 или 60 бит, по одному биту за раз. Это было просто недостаточно быстро для их целей, поэтому Whirlwind включал шестнадцать таких математических блоков, работающих над полным 16-битовым словом за каждый цикл в параллельном битовом режиме. Игнорируя скорость памяти, Whirlwind («20 000 одноадресных операций в секунду» в 1951 году) [7] был по сути в шестнадцать раз быстрее других машин. Сегодня почти все процессоры выполняют арифметику в «параллельном битовом» 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, сложения, предполагалось, что «другой» операнд был загружен последним. Whirlwind работал во многом как калькулятор с обратной польской записью в этом отношении; 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 минимальным объемом для еще пяти бит — и поэтому получилось 16 бит. [8]
Конструкция Whirlwind включала в себя управляющее хранилище, управляемое главным тактовым генератором. Каждый шаг тактового генератора выбирал одну или несколько сигнальных линий в диодной матрице , которая включала затворы и другие схемы на машине. Специальный переключатель направлял сигналы в разные части матрицы для выполнения разных инструкций. [ необходима цитата ] В начале 1950-х годов Whirlwind I «выходил из строя в среднем каждые 20 минут». [9]
Строительство Whirlwind началось в 1948 году, в нем было задействовано 175 человек, включая 70 инженеров и техников. Использование умножения с сохранением переноса, по-видимому, впервые было введено 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 для первой анимированной и интерактивной компьютерной графической игры. [13] [14] Наконец, Whirlwind «успешно выполнил цифровое вычисление курсов перехвата» 20 апреля 1951 года. [15] [11] : 11.20–21 Бюджет проекта составлял приблизительно 1 миллион долларов в год, что было значительно выше затрат на разработку большинства других компьютеров той эпохи. Через три года ВМФ потерял интерес. Однако в это время ВВС заинтересовались использованием компьютеров для помощи в задаче наземного перехвата , и Whirlwind был единственной машиной, подходящей для этой задачи. Они занялись разработкой в рамках проекта Claude .
«Вихрь» весил 20 000 фунтов (10 коротких тонн; 9,1 т) и занимал площадь более 2 000 квадратных футов (190 м 2 ). [16]
Первоначальный проект машины требовал 2048 (2К) слов по 16 бит каждое для хранения с произвольным доступом. Единственными двумя доступными технологиями памяти в 1949 году, которые могли хранить столько данных, были ртутные линии задержки и электростатическое хранение .
Ртутная линия задержки состояла из длинной трубки, заполненной ртутью , механического преобразователя на одном конце и микрофона на другом конце, что очень похоже на пружинный ревербератор, который позже использовался в обработке звука. Импульсы отправлялись в ртутную линию задержки с одного конца и требовали определенного времени, чтобы достичь другого конца. Они улавливались микрофоном, усиливались, преобразовывались в правильную форму импульса и отправлялись обратно в линию задержки. Таким образом, как говорили, память рециркулирует.
Ртутные линии задержки работали примерно со скоростью звука, поэтому были очень медленными в компьютерных терминах, даже по стандартам компьютеров конца 1940-х и 1950-х годов. Скорость звука в ртути также сильно зависела от температуры. Поскольку линия задержки содержала определенное количество бит, частота часов должна была меняться в зависимости от температуры ртути. Если было много линий задержки, и они не все имели одинаковую температуру в любой момент времени, данные памяти могли легко быть повреждены.
Конструкторы Whirlwind быстро отказались от линии задержки как возможной памяти — она была слишком медленной для предполагаемого летного симулятора 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 основе электронно-лучевой трубки, во многих отношениях похожая на раннюю телевизионную кинескопную трубку или осциллографическую трубку. Электронная пушка посылала пучок электронов в дальний конец трубки, где они ударялись об экран. Луч отклонялся, чтобы попасть в определенную точку на экране. Затем луч мог создать отрицательный заряд в этой точке или изменить заряд, который уже там был. Измеряя ток луча, можно было определить, было ли пятно изначально нулем или единицей, и луч мог сохранить новое значение.
В 1949 году существовало несколько форм электростатических запоминающих трубок. Наиболее известной сегодня является трубка Уильямса , разработанная в Англии, но было и несколько других, которые были разработаны независимо различными исследовательскими лабораториями. Инженеры Whirlwind рассматривали трубку Уильямса, но определили, что динамическая природа хранения и необходимость в частых циклах обновления несовместимы с целями проектирования Whirlwind I. Вместо этого они остановились на конструкции, которая разрабатывалась в Радиационной лаборатории Массачусетского технологического института . Это была двухпушечная электронная трубка. Одна пушка производила остро сфокусированный луч для считывания или записи отдельных битов. Другая пушка была «заливной пушкой», которая распыляла по всему экрану низкоэнергетические электроны. В результате конструкции эта трубка была скорее статической оперативной памятью , не требующей циклов обновления, в отличие от динамической оперативной памяти трубки Уильямса.
В конце концов выбор этой трубки оказался неудачным. Трубка Уильямса была значительно лучше разработана, и, несмотря на необходимость обновления, могла легко удерживать 1024 бита на трубку и была довольно надежной при правильной эксплуатации. Трубка MIT все еще находилась в разработке, и хотя целью было удерживать 1024 бита на трубку, эта цель так и не была достигнута, даже через несколько лет после того, как план потребовал полноразмерных функциональных трубок. Кроме того, спецификации требовали времени 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 был медленнее, чем было спроектировано.
Джей Форрестер отчаянно пытался найти подходящую замену памяти для своего компьютера. Первоначально компьютер имел только 32 слова памяти, и 27 из этих слов были регистрами только для чтения, сделанными из тумблеров . Остальные пять регистров были триггерными , причем каждый из пяти регистров был сделан из более чем 30 электронных ламп . Это «тестовое хранилище», как его называли, было предназначено для проверки элементов обработки, пока основная память не была готова. Основная память была так поздно, что первые эксперименты по отслеживанию самолетов с помощью данных радара в реальном времени проводились с помощью программы, вручную установленной в тестовом хранилище. Форрестер наткнулся на рекламу нового магнитного материала, производимого одной компанией. Поняв, что это может быть потенциальным носителем данных, Форрестер получил рабочий стол в углу лаборатории и 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, вероятно, осуществимо. Его демонстрация состояла из небольшой плоскости сердечника из 32 сердечников, каждый диаметром три восьмых дюйма. Продемонстрировав, что концепция практична, ее нужно было только свести к работоспособной конструкции. Осенью 1949 года Форрестер привлек аспиранта Уильяма Н. Папиана для тестирования десятков отдельных сердечников, чтобы определить те, которые обладают наилучшими свойствами. [11] Работа Папиана была подкреплена, когда Форрестер попросил студента Дадли Аллена Бака [17] [18] [19] поработать над материалом и назначил его на рабочее место, в то время как Форрестер вернулся к управлению проектами на полный рабочий день. (Бак продолжил изобретать 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 изначально предполагаемого размера хранения электростатической трубки, цели, которая еще не была достигнута самими трубками, содержащими только 512 бит на трубку в последнем поколении дизайна. Очень быстро была изготовлена 1024-словная сердечниковая память, заменившая электростатическую память. Проектирование и производство электростатической памяти были вкратце отменены, что позволило сэкономить много денег для перераспределения в другие области исследований. Позже были изготовлены два дополнительных блока сердечниковой памяти, увеличив общий доступный размер памяти.
В конструкции использовалось около 5000 электронных ламп .
Большое количество ламп, используемых в Whirlwind, привело к проблемному уровню отказов, поскольку отказ одной лампы мог вызвать отказ системы. Стандартным пентодом в то время был 6AG7, но испытания в 1948 году показали, что его ожидаемый срок службы слишком короток для этого применения. Следовательно, вместо него был выбран 7AD7, но он также имел слишком высокий уровень отказов в эксплуатации. Расследование причин отказов показало, что кремний в вольфрамовом сплаве нити нагревателя вызывал отравление катода ; отложения ортосиликата бария, образующиеся на катоде, снижают или предотвращают его функцию испускания электронов . Затем Sylvania специально разработала для Whirlwind лампу 7AK7 с высокочистой вольфрамовой нитью . [20] : 59–60
Катодное отравление наиболее сильно, когда трубка работает в режиме отсечки с включенным нагревателем. Коммерческие трубки были предназначены для радио (а позднее и телевидения), где они редко работают в таком состоянии. Аналоговые приложения, подобные этим, поддерживают трубку в линейной области, тогда как цифровые приложения переключают трубку между режимом отсечки и полной проводимостью, проходя лишь на короткое время через линейную область. Кроме того, коммерческие производители ожидали, что их трубки будут использоваться только несколько часов в день. [20] : 59 Чтобы улучшить эту проблему, нагреватели были выключены на клапанах, которые не должны были переключаться в течение длительных периодов. Напряжение нагревателя включалось и выключалось с медленной формой сигнала, чтобы избежать теплового удара по нитям нагревателя. [21] : 226
Даже эти меры были недостаточны для достижения требуемой надежности. Начальные неисправности активно выявлялись путем тестирования клапанов во время периодов технического обслуживания. Они подвергались стресс-тестам, называемым предельным тестированием , поскольку они подавали напряжения и сигналы на клапаны вплоть до их проектных пределов. Эти тесты были разработаны для того, чтобы вызвать ранний отказ клапанов, которые в противном случае вышли бы из строя во время эксплуатации. Они проводились автоматически с помощью программы тестирования. [20] : 60–61 Статистика технического обслуживания за 1950 год показывает успешность этих мер. Из 1622 используемых трубок 7AD7 243 вышли из строя, из которых 168 были обнаружены при предельном тестировании. Из 1412 используемых трубок 7AK7 18 вышли из строя, из которых только 2 вышли из строя во время предельной проверки. В результате Whirlwind был намного надежнее любой коммерчески доступной машины. [20] : 61–62
Многие другие особенности режима тестирования трубки Whirlwind не были стандартными тестами и требовали специально созданного оборудования. Одним из условий, требовавших специального тестирования, было кратковременное замыкание на нескольких трубках, вызванное небольшими объектами, такими как ворс внутри трубки. Случайные ложные короткие импульсы являются незначительной проблемой или даже совершенно незаметны в аналоговых схемах, но, вероятно, будут катастрофическими в цифровой схеме. Они не проявлялись в стандартных тестах, но могли быть обнаружены вручную, постукивая по стеклянной колбе. Для автоматизации этого теста была построена схема, запускаемая тиратроном. [21] : 225
После подключения к экспериментальному микроволновому радару раннего оповещения (MEW) на аэродроме Ханском-Филд с использованием оборудования Джека Харрингтона и коммерческих телефонных линий [22] самолеты отслеживались Whirlwind I. [23] Впоследствии система Cape Cod продемонстрировала компьютеризированную противовоздушную оборону, охватывающую южную часть Новой Англии . [ указать ] Сигналы от трех радаров дальнего действия (AN/FPS-3), одиннадцати радаров заполнения пробелов 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) стал основой для системы противовоздушной обороны SAGE IBM AN/FSQ-7 Combat Direction Central .
Whirlwind использовал около 5000 электронных ламп. Также были начаты усилия по преобразованию конструкции Whirlwind в транзисторную форму, во главе с Кеном Олсеном , известную как TX-0 . TX-0 был очень успешным, и были разработаны планы по созданию еще большей версии, известной как TX-1. Однако этот проект был слишком амбициозным и его пришлось уменьшить до меньшей версии, известной как TX-2 . Даже эта версия оказалась проблемной, и Олсен ушел в середине проекта, чтобы основать Digital Equipment Corporation (DEC). PDP-1 от DEC был по сути набором концепций TX-0 и TX-2 в меньшем корпусе. [24]
После поддержки SAGE, Whirlwind I был арендован ($1/год) с 30 июня 1959 года по 1974 год участником проекта Уильямом М. Вольфом (1928-2015). Энергия для работы машины стоила $2500 в месяц, и Wolf Research and Development Corporation работала для ВВС и Buckminster Fuller 's World Game . В конечном итоге перемещение Whirlwind I обошлось в $250 000, и компания заработала на этом $100 000. Wolf R&D Corporation была продана EG&G в 1967 году за $5,5 млн. [25] [26] [27]
Кен Олсен и Роберт Эверетт спасли машину, которая стала основой Бостонского музея компьютеров в 1979 году. Хотя большая часть машины была утеряна при выводе из эксплуатации, многие из ее компонентов сейчас находятся в коллекции Музея истории компьютеров в Маунтин-Вью, Калифорния , и Музея Массачусетского технологического института . [28]
По состоянию на февраль 2009 года, блок сердечников памяти экспонируется в Музее промышленности и инноваций Чарльза Ривера в Уолтеме, Массачусетс . Одна из плоскостей сердечников памяти, предоставленная взаймы Музеем компьютерной истории , демонстрируется как часть экспозиции Исторической компьютерной науки в здании компьютерной науки Гейтса, Стэнфорд .
Здание, в котором размещался Whirlwind, до недавнего времени было домом для ИТ-отдела Массачусетского технологического института, Information Services & Technology, а в 1997–1998 годах оно было восстановлено с сохранением своего первоначального внешнего вида. [29]
Из них скорость является наименее важным фактором с исторической точки зрения.. люди являются очень важным фактором..
Кен Олсен
.. Бен Герли
Базовая частота импульсов для работы компьютера составит один мегацикл. […] Планируется, что компьютер Whirlwind I будет иметь емкость хранения 2048 чисел по 16 двоичных разрядов каждое.
на этот раз для корпорации Wolf Research and Development Corporation из Бостона. Уильям М. Вольф, президент бостонской корпорации, считает, что историческую машину можно использовать с пользой несколькими способами.
42°21′42″с.ш. 71°5′48″з.д. / 42,36167°с.ш. 71,09667°з.д. / 42,36167; -71,09667