Whirlwind I - Whirlwind I
 Elementele computerului Whirlwind: memoria de bază (stânga) și consola operatorului
| |
| Familia de produse | „Program Whirlwind” / „Whirlwind Project” |
|---|---|
| Data de lansare | 20 aprilie 1951 |
Whirlwind Am fost un război rece -era calculator tub vid dezvoltat de MIT Laboratorul servomecanisme , pentru US Navy . Operațional în 1951, a fost printre primele computere electronice digitale care au funcționat în timp real pentru ieșire și primul care nu a fost pur și simplu o înlocuire electronică a sistemelor mecanice mai vechi.
A fost unul dintre primele computere care a calculat în paralel (mai degrabă decât serial ) și a fost primul care a folosit memorie cu miez magnetic .
Dezvoltarea sa a condus direct la designul Whirlwind II folosit ca bază pentru sistemul de apărare antiaeriană SAGE al Forțelor Aeriene ale Statelor Unite și indirect la aproape toate computerele și minicomputerele de afaceri din anii 1960, în special din cauza „lungimii cuvântului scurt, vitezei, oamenilor”.
fundal
În timpul al doilea război mondial , The US Navy „s Naval Research Lab a abordat MIT cu privire la posibilitatea de a crea un computer pentru a conduce un simulator de zbor pentru formarea de bombardament echipaje. Ei au imaginat un sistem destul de simplu în care computerul ar actualiza continuu un panou de instrumente simulat pe baza intrărilor de control de la piloți. Spre deosebire de sistemele mai vechi, cum ar fi Link Trainer , sistemul pe care l-au imaginat ar avea un model de aerodinamică mult mai realist care ar putea fi adaptat oricărui tip de avion. Aceasta a fost o considerație importantă la vremea respectivă, când multe modele noi erau introduse în funcțiune.
Laboratorul Servomechanisms din clădirea MIT 32 a realizat un scurt sondaj care a concluzionat că un astfel de sistem era posibil. Marinei Biroul de Cercetări Navale a decis la dezvoltarea fondului în cadrul proiectului Whirlwind (și proiectele sale surori, Project Typhoon si Project ciclonul , cu alte instituții), iar laboratorul pus Jay Forrester responsabil de proiect. În curând au construit un computer analogic mare pentru sarcină, dar au descoperit că era inexact și inflexibil. Rezolvarea acestor probleme într-un mod general ar necesita un sistem mult mai mare, poate unul atât de mare încât să fie imposibil de construit. Judy Clapp a fost un membru tehnic senior al acestei echipe.
Perry Crawford , un alt membru al echipei MIT, a văzut o demonstrație a ENIAC în 1945. Apoi a sugerat că un computer digital ar fi cea mai bună soluție. O astfel de mașină ar permite îmbunătățirea preciziei simulărilor prin adăugarea mai multor coduri în programul de computer , spre deosebire de adăugarea de piese la mașină. Atâta timp cât mașina a fost suficient de rapidă, nu a existat nicio limită teoretică a complexității simulării.
Până în acest moment, toate computerele construite erau dedicate sarcinilor individuale și rulau în modul batch . O serie de intrări au fost configurate în prealabil și introduse în computer, care ar rezolva răspunsurile și le va imprima. Acest lucru nu era potrivit pentru sistemul Whirlwind, care trebuia să funcționeze continuu pe o serie de intrări în continuă schimbare. Viteza a devenit o problemă majoră: în timp ce cu alte sisteme însemna pur și simplu să aștepți mai mult pentru tipărire, cu Whirlwind însemna să limitezi serios cantitatea de complexitate pe care o putea include simularea.
Descriere tehnica
Design si constructii
În 1947, Forrester și colaboratorul Robert Everett au finalizat proiectarea unui computer cu program de stocare de mare viteză pentru această sarcină. Majoritatea computerelor din epocă funcționau în modul bit-serial , folosind aritmetica pe un singur bit și alimentând cuvinte mari, de multe ori 48 sau 60 de biți, câte un bit pe rând. Acest lucru pur și simplu nu a fost suficient de rapid pentru scopurile lor, așa că Whirlwind a inclus șaisprezece astfel de unități matematice, operând pe un cuvânt complet de 16 biți în fiecare ciclu în modul bi-paralel . Ignorând viteza memoriei, Whirlwind („20.000 de operații cu o singură adresă pe secundă” în 1951) a fost în esență de șaisprezece ori mai rapid decât alte mașini. Astăzi, aproape toate procesoarele efectuează aritmetica în modul „bit-paralel”.
Dimensiunea cuvântului a fost selectată după o deliberare. Mașina a funcționat trecând o singură adresă cu aproape fiecare instrucțiune, reducând astfel numărul de accesări de memorie. Pentru operațiile cu doi operanzi, adăugând, de exemplu, „celălalt” operand a fost presupus a fi ultimul încărcat. Whirlwind a funcționat la fel ca un calculator de notație polonez invers în acest sens; cu excepția faptului că nu exista o stivă de operandi, ci doar un acumulator . Proiectanții au considerat că 2048 de cuvinte de memorie ar fi cantitatea minimă utilizabilă, necesitând 11 biți pentru a reprezenta o adresă și că 16 până la 32 de instrucțiuni ar fi minimul pentru alți cinci biți - și deci au fost 16 biți.
Designul Whirlwind a încorporat un magazin de control acționat de un ceas principal. Fiecare pas al ceasului a selectat una sau mai multe linii de semnal într-o matrice de diode care a permis porțile și alte circuite de pe mașină. Un comutator special a direcționat semnale către diferite părți ale matricei pentru a implementa instrucțiuni diferite. La începutul anilor 1950, Whirlwind I „se prăbușea în medie la fiecare 20 de minute”.
Construcția Whirlwind a început în 1948, un efort care a angajat 175 de persoane. inclusiv 70 de ingineri și tehnicieni. În al treilea trimestru al anului 1949, computerul a fost suficient de avansat pentru a rezolva o ecuație și a-și afișa soluția pe un osciloscop și chiar pentru primul joc grafic animat și interactiv pe computer. În cele din urmă, Whirlwind „a realizat cu succes calculul digital al cursurilor de interceptare” pe 20 aprilie 1951. Bugetul proiectului a fost de aproximativ 1 milion de dolari pe an, ceea ce a fost mult mai mare decât costurile de dezvoltare ale majorității celorlalte computere din epocă. După trei ani, Marina își pierduse interesul. Cu toate acestea, în acest timp, Forțele Aeriene deveniseră interesate să folosească computerele pentru a ajuta la sarcina interceptării controlate la sol , iar Vântul Vânt era singura mașină potrivită sarcinii. Au început dezvoltarea în cadrul proiectului Claude .
Whirlwind cântărea 20.000 de lire sterline (10 tone scurte; 9,1 t).
Subsistemul de memorie
Designul original al mașinii solicita 2048 (2K) cuvinte de câte 16 biți fiecare cu stocare cu acces aleatoriu. Singurele două tehnologii de memorie disponibile din 1949 care puteau păstra atât de multe date erau liniile de întârziere cu mercur și stocarea electrostatică .
O linie de întârziere a mercurului consta dintr-un tub lung umplut cu mercur , un traductor mecanic la un capăt și un microfon la celălalt capăt, la fel ca o unitate de reverb cu arc utilizată ulterior în procesarea audio. Impulsurile au fost trimise în linia de întârziere cu mercur la un capăt și au avut nevoie de o anumită perioadă de timp pentru a ajunge la celălalt capăt. Au fost detectate de microfon, amplificate, remodelate în forma corectă a impulsului și trimise înapoi în linia de întârziere. Astfel, s-a spus că memoria se recirculează.
Liniile de întârziere cu mercur funcționau la viteza sunetului, deci erau foarte lente din punct de vedere al computerului, chiar și conform standardelor computerelor de la sfârșitul anilor 1940 și 1950. Viteza sunetului în mercur a fost, de asemenea, foarte dependentă de temperatură. Deoarece o linie de întârziere deținea un număr definit de biți, frecvența ceasului trebuia să se schimbe odată cu temperatura mercurului. Dacă au existat mai multe linii de întârziere și nu au toate în același timp aceeași temperatură, datele de memorie ar putea fi ușor deteriorate.
Proiectanții Whirlwind au renunțat rapid la linia de întârziere ca o posibilă memorie - era atât lent pentru simulatorul de zbor prevăzut, cât și prea nesigur pentru un sistem de producție reproductibil, pentru care Whirlwind se intenționa să fie un prototip funcțional.
Forma alternativă a memoriei a fost cunoscută sub numele de „electrostatică”. Aceasta a fost o memorie a tubului catodic, similară în multe aspecte cu un tub de imagine TV timpuriu sau un tub osciloscop . Un pistol de electroni a trimis un fascicul de electroni la capătul îndepărtat al tubului, unde au lovit un ecran. Fasciculul ar fi deviat pentru a ateriza într-un anumit punct de pe ecran. Fasciculul ar putea acum să creeze o sarcină negativă în acel moment sau să schimbe o sarcină care era deja acolo. Măsurând curentul fasciculului s-a putut determina dacă spotul a fost inițial zero sau unul și o nouă valoare ar putea fi stocată de fascicul.
Au existat mai multe forme de tuburi de memorie electrostatice în 1949. Cel mai cunoscut astăzi este tubul Williams , dezvoltat în Anglia, dar au existat o serie de altele care au fost dezvoltate independent de către diverse laboratoare de cercetare. Inginerii Whirlwind au considerat tubul Williams, dar au stabilit că natura dinamică a depozitării și necesitatea unor cicluri frecvente de reîmprospătare au fost incompatibile cu obiectivele de proiectare pentru Whirlwind I. În schimb, s-au stabilit pe un design care a fost dezvoltat la Laboratorul de radiații MIT . Acesta era un tub de electroni cu două tunuri. Un pistol a produs un fascicul puternic focalizat pentru a citi sau scrie biți individuali. Celălalt pistol era un „pistol de inundație” care pulveriza întregul ecran cu electroni cu consum redus de energie. Ca rezultat al proiectării, acest tub era mai mult o memorie RAM statică care nu necesita cicluri de reîmprospătare, spre deosebire de tubul dinamic Williams Williams.
În cele din urmă, alegerea acestui tub a fost nefericită. Tubul Williams a fost considerabil mai bine dezvoltat și, în ciuda nevoii de reîmprospătare, putea conține cu ușurință 1024 biți pe tub și a fost destul de fiabil atunci când a funcționat corect. Tubul MIT era încă în curs de dezvoltare și, în timp ce scopul era să dețină 1024 de biți pe tub, acest obiectiv nu a fost niciodată atins, chiar și la câțiva ani după ce planul ceruse tuburi funcționale de dimensiuni complete. De asemenea, specificațiile ceruseră un timp de acces de șase microsecunde, dar timpul real de acces era de aproximativ 30 de microsecunde. Deoarece timpul ciclului de bază al procesorului Whirlwind I a fost determinat de timpul de acces la memorie, întregul procesor a fost mai lent decât a fost proiectat.
Memorie cu miez magnetic
Jay Forrester era disperat să găsească un înlocuitor de memorie adecvat pentru computerul său. Inițial, computerul avea doar 32 de cuvinte de stocare, iar 27 dintre aceste cuvinte erau registre numai în citire, făcute din comutatoare . Restul de cinci registre au fost stocate pe flip-flop , fiecare dintre cele cinci registre fiind realizat din mai mult de 30 de tuburi de vid . Acest „test de stocare”, așa cum se știa, a fost destinat să permită verificarea elementelor de procesare în timp ce memoria principală nu era gata. Memoria principală a fost atât de târzie încât primele experimente de urmărire a avioanelor cu date radar live s-au făcut folosind un program setat manual în stocarea de testare. Forrester a dat peste o reclamă pentru un nou material magnetic produs de o companie. Recunoscând că acesta avea potențialul de a fi un mediu de stocare a datelor, Forrester a obținut un banc de lucru în colțul laboratorului și a obținut mai multe probe de material cu care să experimenteze. Apoi, timp de câteva luni, a petrecut cât mai mult timp în laborator ca în biroul care gestionează întregul proiect.
La sfârșitul acelor luni, inventase elementele de bază ale memoriei cu miez magnetic și a demonstrat că este probabil să fie fezabilă. Demonstrația sa a constat dintr-un mic plan de miez de 32 de miezuri, fiecare cu trei optimi de inch în diametru. După ce am demonstrat că conceptul era practic, nu trebuia decât să fie redus la un design funcțional. În toamna anului 1949, Forrester l-a înrolat pe studentul absolvent William N. Papian pentru a testa zeci de nuclee individuale, pentru a le determina pe cele cu cele mai bune proprietăți. Munca lui Papian a fost consolidată atunci când Forrester i-a cerut elevului Dudley Allen Buck să lucreze la material și l-a repartizat la banca de lucru, în timp ce Forrester s-a întors la managementul de proiect cu normă întreagă. (Buck ar continua să inventeze criotronul și memoria adresabilă conținutului la laborator.)
După aproximativ doi ani de cercetări și dezvoltări ulterioare, aceștia au reușit să demonstreze un plan de bază format din 32 pe 32 sau 1024 nuclee, care deținea 1024 biți de date. Astfel, au atins dimensiunea de stocare intenționată inițial a unui tub electrostatic, un obiectiv care nu fusese încă atins de tuburi, deținând doar 512 biți pe tub în ultima generație de design. Foarte repede, a fost fabricată o memorie de bază de 1024 de cuvinte, înlocuind memoria electrostatică. Proiectarea și producția de memorie electrostatică a fost anulată sumar, economisind o mulțime de bani pentru a fi realocați în alte zone de cercetare. Ulterior au fost fabricate două unități de memorie de bază suplimentare, mărind dimensiunea totală a memoriei disponibile.
Tuburi de vid
Designul a folosit aproximativ 5.000 de tuburi de vid .
Numărul mare de tuburi utilizate în Whirlwind a dus la o rată problematică de defecțiune, deoarece o defecțiune a unui singur tub ar putea provoca o defecțiune a sistemului. Pentodul standard la acea vreme era 6AG7, dar testarea din 1948 a determinat că durata de viață așteptată în serviciu era prea scurtă pentru această aplicație. În consecință, 7AD7 a fost ales în schimb, dar aceasta avea și o rată de eșec prea mare în serviciu. O investigație asupra cauzei defecțiunilor a constatat că siliciul din aliajul de tungsten al filamentului încălzitorului cauzează otrăvirea cu catod ; depunerile de ortosilicat de bariu care se formează pe catod reduc sau împiedică funcția acestuia de a emite electroni . 7AK7 Tubul cu un filament de tungsten de înaltă puritate a fost apoi dezvoltat special pentru Whirlwind de Sylvania .
Intoxicația cu catod este cea mai gravă atunci când tubul este întrerupt cu încălzitorul pornit. Tuburile comerciale erau destinate aplicațiilor radio (și ulterior, televiziunii) în care rareori sunt rulate în această stare. Aplicațiile analogice ca acestea mențin tubul în regiunea liniară, în timp ce aplicațiile digitale comută tubul între întrerupere și conducere completă, trecând doar scurt prin regiunea liniară. Mai mult, producătorii comerciali se așteptau ca tuburile lor să fie utilizate doar câteva ore pe zi. Pentru a ameliora această problemă, încălzitoarele au fost oprite pe supape care nu se așteaptă să se comute pentru perioade lungi. Tensiunea încălzitorului a fost pornită și oprită cu o formă de undă de rampă lentă pentru a evita șocul termic la filamentele încălzitorului.
Chiar și aceste măsuri nu au fost suficiente pentru a obține fiabilitatea necesară. Defectele incipiente au fost căutate proactiv prin testarea supapelor în perioadele de întreținere. Au fost supuși unor teste de solicitare denumite teste marginale, deoarece au aplicat tensiuni și semnale supapelor până la marginile lor de proiectare. Aceste teste au fost concepute pentru a provoca defectarea timpurie a supapelor care altfel ar fi eșuat în timpul funcționării. Au fost efectuate automat de un program de testare. Statisticile de întreținere pentru 1950 arată succesul acestor măsuri. Dintre cele 1.622 de tuburi 7AD7 utilizate, 243 nu au reușit, dintre care 168 au fost găsite prin testare marginală. Din cele 1.412 tuburi 7AK7 utilizate, 18 au eșuat, dintre care doar 2 au eșuat în timpul verificării marginale. Ca urmare, Whirlwind a fost mult mai fiabil decât orice mașină disponibilă în comerț.
Multe alte caracteristici ale regimului de testare a tuburilor Whirlwind nu erau teste standard și necesitau echipamente special construite. O condiție care a necesitat testări speciale a fost scurtcircuitarea momentană a câtorva tuburi cauzată de obiecte mici, cum ar fi scame în interiorul tubului. Impulsurile scurte false ocazionale sunt o problemă minoră, sau chiar complet neobservabilă, în circuitele analogice, dar sunt probabil dezastruoase într-un circuit digital. Acestea nu au apărut la testele standard, dar au putut fi descoperite manual prin atingerea plicului de sticlă. Un circuit declanșat de tiratron a fost construit pentru a automatiza acest test.
Rețelele de apărare aeriană
După conectarea la radarul experimental Microwave Early Warning (MEW) de la Hanscom Field folosind echipamentul și liniile telefonice comerciale ale lui Jack Harrington, aeronavele au fost urmărite de Whirlwind I. Sistemul Cape Cod a demonstrat ulterior apărarea aeriană computerizată care acoperă sudul Noii Anglii . Semnalele de la trei radare cu rază lungă de acțiune (AN / FPS-3), unsprezece radare de umplere a lacunelor și trei radare de identificare a înălțimii au fost transmise prin liniile telefonice către computerul Whirlwind I din Cambridge, Massachusetts . Proiectarea Whirlwind II pentru o mașină mai mare și mai rapidă (niciodată finalizată) a stat la baza sistemului de apărare antiaeriană SAGE IBM AN / FSQ-7 Combat Direction Central .
Moştenire
Whirlwind a folosit aproximativ 5.000 de tuburi de vid. De asemenea, a fost început un efort de a converti designul Whirlwind într-o formă transistorizată, condusă de Ken Olsen și cunoscută sub numele de TX-0 . TX-0 a avut mare succes și s-au făcut planuri pentru a face o versiune și mai mare cunoscută sub numele de TX-1. Cu toate acestea, acest proiect a fost mult prea ambițios și a trebuit redus la o versiune mai mică cunoscută sub numele de TX-2 . Chiar și această versiune s-a dovedit supărătoare, iar Olsen a plecat la mijlocul proiectului pentru a începe Digital Equipment Corporation (DEC). PDP-1 al DEC a fost în esență o colecție de concepte TX-0 și TX-2 într-un pachet mai mic.
După ce a sprijinit SAGE, Whirlwind I a fost închiriat (1 $ / an) din 30 iunie 1959, până în 1974 de către membrul proiectului, Bill Wolf.
Ken Olsen și Robert Everett au salvat mașina, care a devenit baza pentru Boston Computer Museum în 1979. Acum se află în colecția Computer History Museum din Mountain View, California .
Începând din februarie 2009, o unitate de memorie de bază este afișată la Muzeul Industriei și Inovării Charles River din Waltham, Massachusetts . Un avion, împrumutat de la Computer History Museum , este prezentat ca parte a afișelor de informatică istorică de la Gates Computer Science Building, Stanford .
Clădirea care găzduia Whirlwind a găzduit până de curând departamentul IT al întregului campus al MIT, Servicii de informații și tehnologie, iar în 1997-1998, a fost restaurat la designul exterior original.
Vezi si
- Lista computerelor cu tuburi de vid
- Istoria hardware-ului de calcul
- Laning și sistemul Zierler
- Roger Sisson
- Perry O. Crawford Jr.
- Lightgun (Whirlwind) lightpen proiectat pentru Whirlwind