Trąba powietrzna I - Whirlwind I

Trąba powietrzna
Muzeum Nauki, Boston, MA - IMG 3168.JPG
Elementy komputera Whirlwind: pamięć rdzeniowa (po lewej) i konsola operatora
Produkt rodzinny "Whirlwind Program"/"Projekt Whirlwind"
Data wydania 20 kwietnia 1951 ( 20.04.1951 )

Whirlwind I była zimna wojna -era lampowy komputer opracowany przez MIT Laboratory serwomechanizmy dla US Navy . Działający w 1951 roku, był jednym z pierwszych cyfrowych komputerów elektronicznych, które działały w czasie rzeczywistym na wyjściu, i pierwszym, który nie był po prostu elektronicznym zamiennikiem starszych systemów mechanicznych.

Był to jeden z pierwszych komputerów do obliczeń równoległych (a nie szeregowych ) i jako pierwszy wykorzystywał pamięć z rdzeniem magnetycznym .

Jego rozwój doprowadził bezpośrednio do projektu Whirlwind II używanego jako podstawa systemu obrony powietrznej Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych SAGE , a pośrednio do prawie wszystkich komputerów biznesowych i minikomputerów w latach 60., szczególnie ze względu na „krótką długość słowa, szybkość, ludzie”.

Tło

Podczas II wojny światowej The US Navy „s Naval Research Lab zbliżył MIT o możliwości stworzenia komputera do prowadzenia symulator lotu za szkolenie bombowe załogi. Wyobrażali sobie dość prosty system, w którym komputer będzie stale aktualizował symulowaną tablicę przyrządów w oparciu o dane sterujące pilotów. W przeciwieństwie do starszych systemów, takich jak Link Trainer , przewidywany przez nich system miałby znacznie bardziej realistyczny model aerodynamiczny, który można by dostosować do każdego typu samolotu. Było to ważne w czasie, gdy wprowadzano do użytku wiele nowych konstrukcji.

Laboratorium Serwomechanizmów w budynku 32 MIT przeprowadziło krótką ankietę, z której wynikało, że taki system jest możliwy. Navy Office of Naval Research postanowili rozwoju funduszu pod Projektu Whirlwind (i jej siostrzanych projektów, projekt Typhoon i Projektu Cyclone , z innymi instytucjami), a lab umieszczone Jay Forrester za projektem. Wkrótce zbudowali do tego celu duży komputer analogowy , ale okazało się, że jest on niedokładny i nieelastyczny. Ogólne rozwiązanie tych problemów wymagałoby znacznie większego systemu, być może tak dużego, że niemożliwego do zbudowania. Judy Clapp była na początku starszym członkiem technicznym tego zespołu.

Perry Crawford , inny członek zespołu MIT, widział demonstrację ENIAC w 1945 roku. Następnie zasugerował, że najlepszym rozwiązaniem byłby komputer cyfrowy. Taka maszyna pozwoliłaby na poprawę dokładności symulacji poprzez dodanie większej ilości kodu w programie komputerowym , w przeciwieństwie do dodawania części do maszyny. Dopóki maszyna była wystarczająco szybka, nie istniały teoretyczne ograniczenia złożoności symulacji.

Do tego momentu wszystkie skonstruowane komputery były dedykowane do pojedynczych zadań i działały w trybie wsadowym . Szereg danych wejściowych został skonfigurowany z wyprzedzeniem i wprowadzony do komputera, który opracował odpowiedzi i wydrukował je. To nie było odpowiednie dla systemu Whirlwind, który musiał działać w sposób ciągły na ciągle zmieniającej się serii wejść. Szybkość stała się głównym problemem: podczas gdy w przypadku innych systemów oznaczało to po prostu dłuższe czekanie na wydruk, w przypadku Whirlwind oznaczało to poważne ograniczenie stopnia złożoności, jaką mogła obejmować symulacja.

Opis techniczny

projekt i konstrukcja

W 1947 roku Forrester i jego współpracownik Robert Everett ukończyli projekt szybkiego komputera z programami magazynowanymi do tego zadania. Większość komputerów tamtych czasów działała w trybie bitowo-szeregowym , używając arytmetyki jednobitowej i podając duże słowa, często o rozmiarze 48 lub 60 bitów, po jednym bicie. To po prostu nie było wystarczająco szybkie dla ich celów, więc Whirlwind zawierał szesnaście takich jednostek matematycznych, operujących na pełnym 16-bitowym słowie w każdym cyklu w trybie bitowo-równoległym . Ignorując szybkość pamięci, Whirlwind („20 000 operacji na jednym adresie na sekundę” w 1951 r.) był zasadniczo szesnaście razy szybszy niż inne maszyny. Obecnie prawie wszystkie procesory wykonują operacje arytmetyczne w trybie „bitowo-równoległym”.

Wielkość słowa została wybrana po pewnym namyśle. Maszyna pracowała, przekazując jeden adres z prawie każdą instrukcją, zmniejszając w ten sposób liczbę dostępów do pamięci. Dla operacji z dwoma operandami, dodając na przykład, „inny” operand był przyjmowany jako ostatni załadowany. Whirlwind działał pod tym względem jak kalkulator odwróconej notacji polskiej ; poza tym, że nie było stosu operandów, tylko akumulator . Projektanci uważali, że 2048 słów pamięci będzie minimalną użyteczną ilością, wymagającą 11 bitów do reprezentowania adresu, a 16 do 32 instrukcji będzie minimum dla kolejnych pięciu bitów — a więc było to 16 bitów.

Projekt Whirlwind zawierał magazyn kontrolny sterowany zegarem głównym. Każdy krok zegara wybierał jedną lub więcej linii sygnałowych w matrycy diodowej, która włączała bramki i inne obwody maszyny. Specjalny przełącznik kierował sygnały do ​​różnych części matrycy w celu realizacji różnych instrukcji. We wczesnych latach pięćdziesiątych Whirlwind I „rozbijał się średnio co 20 minut”.

W 1948 roku rozpoczęto budowę Whirlwind, w której zatrudnionych było 175 osób. w tym 70 inżynierów i techników. W trzecim kwartale 1949 r. komputer był wystarczająco zaawansowany, aby rozwiązać równanie i wyświetlić jego rozwiązanie na oscyloskopie, a nawet do pierwszej animowanej i interaktywnej gry graficznej. Wreszcie firma Whirlwind „pomyślnie dokonała cyfrowych obliczeń kursów przechwytywania” 20 kwietnia 1951 roku. Budżet projektu wynosił około 1 miliona dolarów rocznie, co było znacznie wyższe niż koszty rozwoju większości innych komputerów tamtych czasów. Po trzech latach marynarka straciła zainteresowanie. Jednak w tym czasie Siły Powietrzne zainteresowały się używaniem komputerów do pomocy w zadaniu kontrolowanego przechwytywania naziemnego , a Whirlwind był jedyną maszyną nadającą się do tego zadania. Zajęli się rozwojem w ramach Projektu Claude .

Whirlwind ważył 20 000 funtów (10 ton amerykańskich; 9,1 t).

Podsystem pamięci

Pierwotny projekt maszyny wymagał 2048 (2K) słów po 16 bitów w pamięci o dostępie swobodnym. Jedyne dwie dostępne technologie pamięci w 1949 roku, które mogły pomieścić tak dużo danych, to rtęciowe linie opóźniające i magazynowanie elektrostatyczne .

Rtęciowa linia opóźniająca składała się z długiej rury wypełnionej rtęcią , mechanicznego przetwornika na jednym końcu i mikrofonu na drugim końcu, podobnie jak sprężynowy moduł pogłosu , który później wykorzystano w przetwarzaniu dźwięku. Impulsy były wysyłane do rtęciowej linii opóźniającej na jednym końcu, a dotarcie do drugiego końca zajęło trochę czasu. Zostały wykryte przez mikrofon, wzmocnione, przekształcone w prawidłowy kształt impulsu i wysłane z powrotem do linii opóźniającej. Mówiono więc, że pamięć powraca.

Linie opóźniające Merkurego działały mniej więcej z prędkością dźwięku, więc były bardzo wolne w kategoriach komputerowych, nawet jak na standardy komputerów z późnych lat czterdziestych i pięćdziesiątych. Prędkość dźwięku w rtęci była również bardzo zależna od temperatury. Ponieważ linia opóźniająca zawierała określoną liczbę bitów, częstotliwość zegara musiała się zmieniać wraz z temperaturą rtęci. Gdyby było wiele linii opóźniających i nie wszystkie miały przez cały czas tę samą temperaturę, dane w pamięci mogłyby łatwo ulec uszkodzeniu.

Projektanci Whirlwind szybko odrzucili linię opóźnienia jako możliwą pamięć — była ona zarówno zbyt wolna dla przewidywanego symulatora lotu, jak i zbyt zawodna dla odtwarzalnego systemu produkcyjnego, dla którego Whirlwind miał być funkcjonalnym prototypem.

Alternatywna forma pamięci znana była jako „elektrostatyczna”. Była to pamięć kineskopowa, podobna pod wieloma względami do wczesnych kineskopów telewizyjnych lub lamp oscyloskopowych . Wyrzutni elektronowej wysyłane wiązki elektronów na końcu rury, gdzie uderzeniu ekranu. Wiązka byłaby odchylana, by wylądować w określonym miejscu na ekranie. Wiązka może wówczas nagromadzić w tym miejscu ładunek ujemny lub zmienić ładunek, który już tam był. Mierząc prąd wiązki, można było określić, czy plamka była pierwotnie zerem czy jedynką, a wiązka mogła zapisać nową wartość.

W 1949 istniało kilka form elektrostatycznych lamp pamięci . Najbardziej znana jest dziś lampa Williamsa , opracowana w Anglii, ale było też kilka innych, które zostały opracowane niezależnie przez różne laboratoria badawcze. Inżynierowie Whirlwind rozważyli lampę Williamsa, ale ustalili, że dynamiczny charakter przechowywania i konieczność częstych cykli odświeżania jest niezgodny z celami projektowymi Whirlwind I. Zamiast tego zdecydowali się na projekt, który był opracowywany w Laboratorium Radiacyjnym MIT . To była lampa elektronowa z podwójnym działem. Jeden pistolet wytworzył ostro skupioną wiązkę do odczytu lub zapisu poszczególnych bitów. Drugi pistolet był „pistoletem zalewowym”, który spryskiwał cały ekran elektronami o niskiej energii. W wyniku projektu ta lampa była bardziej statyczną pamięcią RAM, która nie wymagała cykli odświeżania, w przeciwieństwie do dynamicznej lampy RAM Williamsa.

Ostatecznie wybór tej lampy był niefortunny. Lampa Williamsa była znacznie lepiej rozwinięta i pomimo potrzeby odświeżania z łatwością mieściła 1024 bity na lampę i była dość niezawodna, gdy działała poprawnie. Lampa MIT była wciąż w fazie rozwoju i chociaż celem było przechowywanie 1024 bitów na lampę, cel ten nigdy nie został osiągnięty, nawet kilka lat po tym, jak plan wymagał pełnowymiarowych lamp funkcjonalnych. Ponadto specyfikacje wymagały czasu dostępu wynoszącego sześć mikrosekund, ale rzeczywisty czas dostępu wynosił około 30 mikrosekund. Ponieważ podstawowy czas cyklu procesora Whirlwind I był określony przez czas dostępu do pamięci, cały procesor był wolniejszy niż projektowano.

Pamięć z rdzeniem magnetycznym

Obwody z podstawowej jednostki pamięci Whirlwind
Stos rdzenia z podstawowej jednostki pamięci Whirlwind
Pamięć rdzenia projektu Whirlwind , około 1951 r

Jay Forrester desperacko szukał odpowiedniego zamiennika pamięci dla swojego komputera. Początkowo komputer miał tylko 32 słowa pamięci, a 27 z tych słów było rejestrami tylko do odczytu utworzonymi z przełączników dwustabilnych . Pozostałe pięć rejestrów to pamięć typu flip-flop , przy czym każdy z pięciu rejestrów składa się z ponad 30 lamp próżniowych . Ta „pamięć testowa”, jak wiadomo, miała umożliwić sprawdzenie elementów przetwarzających, gdy pamięć główna nie była gotowa. Pamięć główna była tak późna, że ​​pierwsze eksperymenty śledzenia samolotów z danymi radarowymi na żywo zostały wykonane przy użyciu programu ręcznie wprowadzonego do pamięci testowej. Forrester natknął się na reklamę nowego materiału magnetycznego produkowanego przez firmę. Zdając sobie sprawę, że może to być nośnik danych, Forrester zdobył stół warsztatowy w rogu laboratorium i pobrał kilka próbek materiału do eksperymentowania. Następnie przez kilka miesięcy spędzał w laboratorium tyle samo czasu, co w biurze, zarządzając całym projektem.

Pod koniec tych miesięcy wynalazł podstawy pamięci z rdzeniem magnetycznym i zademonstrował, że jest to możliwe. Jego demonstracja składała się z małej płaszczyzny rdzenia z 32 rdzeniami, każdy o średnicy trzech ósmych cala. Po wykazaniu, że koncepcja jest praktyczna, wystarczyło ją zredukować do praktycznego projektu. Jesienią 1949 roku Forrester zatrudnił doktoranta Williama N. Papiana do przetestowania dziesiątek pojedynczych rdzeni, aby określić te o najlepszych właściwościach. Praca Papiana została wzmocniona, gdy Forrester poprosił studenta Dudleya Allena Bucka o pracę nad materiałem i przydzielił go do warsztatu, podczas gdy Forrester wrócił do pełnoetatowego zarządzania projektami. (Buck wymyślił w laboratorium kriotron i pamięć adresowalną treścią ).

Po około dwóch latach dalszych badań i rozwoju byli w stanie zademonstrować płaszczyznę rdzenia złożoną z 32 na 32 lub 1024 rdzeni, przechowującą 1024 bity danych. W ten sposób osiągnęły pierwotnie zamierzony rozmiar przechowywania lampy elektrostatycznej, cel, który nie został jeszcze osiągnięty przez same lampy, utrzymując tylko 512 bitów na lampę w najnowszej generacji konstrukcji. Bardzo szybko sfabrykowano pamięć rdzeniową o długości 1024 słów, zastępując pamięć elektrostatyczną. Projekt i produkcja pamięci elektrostatycznej zostały w sumie anulowane, co pozwoliło zaoszczędzić sporo pieniędzy, które można przeznaczyć na inne obszary badawcze. Później wyprodukowano dwie dodatkowe jednostki pamięci rdzeniowej, zwiększając całkowity dostępny rozmiar pamięci.

Rury próżniowe

W projekcie wykorzystano około 5000 lamp próżniowych .

Duża liczba rur użytych w Whirlwind spowodowała problematyczny wskaźnik awaryjności, ponieważ awaria pojedynczej rury może spowodować awarię systemu. Standardową pentodą w tym czasie był 6AG7, ale testy przeprowadzone w 1948 roku wykazały, że jego oczekiwany okres użytkowania jest zbyt krótki dla tego zastosowania. W rezultacie zamiast tego wybrano 7AD7, który jednak miał zbyt wysoki wskaźnik awaryjności w eksploatacji. Badanie przyczyny awarii wykazało, że krzem w stopie wolframu we żarniku grzejnika powoduje zatrucie katody ; osady ortokrzemianu baru tworzące się na katodzie zmniejszają lub uniemożliwiają jej funkcję emitowania elektronów . 7AK7 rury o wysokiej czystości wolframowe następnie specjalnie opracowany dla Whirlwind przez Sylvania .

Zatrucie katod jest najgorsze, gdy rura pracuje w odcięciu przy włączonej grzałce. Komercyjne lampy były przeznaczone do zastosowań radiowych (a później telewizyjnych), gdzie rzadko są uruchamiane w tym stanie. Aplikacje analogowe, takie jak te, utrzymują lampę w obszarze liniowym, podczas gdy aplikacje cyfrowe przełączają lampę między odcięciem a pełnym przewodnictwem, przechodząc tylko na krótko przez obszar liniowy. Co więcej, komercyjni producenci oczekiwali, że ich lampy będą używane tylko przez kilka godzin dziennie. Aby rozwiązać ten problem, grzałki zostały wyłączone na zaworach, które nie będą się przełączać przez długi czas. Napięcie grzejnika było włączane i wyłączane z powolnym narastaniem fali, aby uniknąć szoku termicznego we włóknach grzejnika.

Nawet te środki nie wystarczyły do ​​osiągnięcia wymaganej niezawodności. Początkowe usterki poszukiwano proaktywnie, testując zawory podczas okresów konserwacji. Zostały one poddane testom obciążeniowym zwanym testami marginalnymi, ponieważ przykładały napięcia i sygnały do ​​​​zaworów aż do ich marginesów projektowych. Testy te miały na celu spowodowanie wczesnej awarii zaworów, które w innym przypadku uległyby awarii podczas eksploatacji. Zostały one przeprowadzone automatycznie przez program testowy. Statystyka konserwacji z 1950 r. pokazuje powodzenie tych działań. Spośród 1622 probówek 7AD7 będących w użyciu, 243 uległy awarii, z których 168 znaleziono w testach marginalnych. Spośród 1412 lamp 7AK7 będących w użyciu 18 uległo awarii, z których tylko 2 uległy awarii podczas kontroli brzegowej. W rezultacie Whirlwind był znacznie bardziej niezawodny niż jakakolwiek dostępna na rynku maszyna.

Wiele innych cech systemu testowania rur Whirlwind nie było standardowymi testami i wymagało specjalnie skonstruowanego sprzętu. Jednym z warunków, które wymagały specjalnych testów, było chwilowe zwarcie na kilku rurkach spowodowane małymi przedmiotami, takimi jak kłaczki wewnątrz rurki. Sporadyczne fałszywe impulsy są niewielkim problemem, a nawet całkowicie niezauważalne w obwodach analogowych, ale mogą mieć katastrofalne skutki w obwodach cyfrowych. Nie pojawiły się one w standardowych testach, ale można je było wykryć ręcznie, stukając w szklaną kopertę. W celu zautomatyzowania tego testu zbudowano obwód wyzwalany tyratronem.

Sieci obrony powietrznej

Po podłączeniu do eksperymentalnego radaru mikrofalowego wczesnego ostrzegania (MEW) w Hanscom Field przy użyciu sprzętu Jacka Harringtona i komercyjnych linii telefonicznych, samoloty były śledzone przez Whirlwind I. Następnie Cape Cod System zademonstrował skomputeryzowaną obronę przeciwlotniczą obejmującą południową Nową Anglię . Sygnały z trzech radarów dalekiego zasięgu (AN/FPS-3), jedenastu radarów wypełniających luki i trzech radarów mierzących wysokość były przesyłane liniami telefonicznymi do komputera Whirlwind I w Cambridge w stanie Massachusetts . Projekt Whirlwind II dla większej i szybszej maszyny (nigdy nieukończony) był podstawą systemu obrony powietrznej SAGE IBM AN/FSQ-7 Combat Direction Central .

Spuścizna

Whirlwind używał około 5000 lamp próżniowych. Podjęto również wysiłki, aby przekształcić projekt Whirlwind w formę tranzystorową, kierowaną przez Kena Olsena i znaną jako TX-0 . TX-0 odniósł duży sukces i zaplanowano stworzenie jeszcze większej wersji znanej jako TX-1. Jednak ten projekt był zbyt ambitny i musiał zostać przeskalowany do mniejszej wersji znanej jako TX-2 . Nawet ta wersja okazała się kłopotliwa i Olsen odszedł w połowie projektu, aby założyć Digital Equipment Corporation (DEC). PDP-1 firmy DEC był zasadniczo zbiorem koncepcji TX-0 i TX-2 w mniejszym opakowaniu.

Po wspieraniu SAGE, Whirlwind I został wynajęty (1 USD/rok) od 30 czerwca 1959 do 1974 przez członka projektu, Billa Wolfa.

Ken Olsen i Robert Everett uratowali maszynę, która w 1979 roku stała się podstawą Boston Computer Museum . Obecnie znajduje się ona w zbiorach Computer History Museum w Mountain View w Kalifornii .

Od lutego 2009 r. jednostka pamięci rdzenia jest wystawiona w Muzeum Przemysłu i Innowacji Charles River w Waltham w stanie Massachusetts . Jeden samolot, wypożyczony z Muzeum Historii Komputerów , jest pokazywany jako część pokazów historycznych informatyki w Gates Computer Science Building w Stanford .

Budynek, w którym mieścił się Whirlwind, był do niedawna siedzibą ogólnokampusowego działu IT, usług informacyjnych i technologii MIT, aw latach 1997-1998 przywrócono mu pierwotny wygląd zewnętrzny.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki

Dokumentacja
Poprzedzone
-
Najpotężniejszy komputer na świecie
1951–1954
Następca
IBM NORC