Whirlwind I - Whirlwind I

Vichřice já
Museum of Science, Boston, MA - IMG 3168.JPG
Prvky počítače Whirlwind: základní paměť (vlevo) a konzola operátora
Produktová řada "Whirlwind Program"/"Whirlwind Project"
Datum vydání 20. dubna 1951 ( 1951-04-20 )

Whirlwind I byl počítač se studenou válkou -vakuová trubice vyvinutý laboratoří servomechanismů MIT pro americké námořnictvo . V provozu v roce 1951 to byl jeden z prvních digitálních elektronických počítačů, které pracovaly v reálném čase pro výstup, a první, který nebyl pouze elektronickou náhradou starších mechanických systémů.

Byl to jeden z prvních počítačů, které počítaly paralelně (spíše než sériově ), a byl prvním, kdo používal paměť s magnetickým jádrem .

Jeho vývoj vedl přímo k designu Whirlwind II, který byl použit jako základ systému protivzdušné obrany United States Air Force SAGE , a nepřímo v 60. letech téměř ke všem obchodním počítačům a minipočítačům , zejména kvůli „krátké délce slova, rychlosti, lidem“.

Pozadí

Během druhé světové války se americké námořnictvo ‚s Naval Research Lab přiblížil MIT o možnosti vytvoření počítač řídit letový simulátor pro výcvik bombardérů posádky. Představili si celkem jednoduchý systém, ve kterém by počítač neustále aktualizoval simulovaný přístrojový panel na základě řídicích vstupů od pilotů. Na rozdíl od starších systémů, jako je Link Trainer , by systém, který si představovali, měl podstatně realističtější model aerodynamiky, který by mohl být přizpůsoben jakémukoli typu letadla. V době, kdy bylo do provozu uváděno mnoho nových návrhů, to bylo důležité.

Laboratoř Servomechanismů v budově MIT 32 provedla krátký průzkum, který dospěl k závěru, že takový systém je možný. US Navy Úřad námořního výzkumu rozhodlo rozvojový fond v rámci projektu Whirlwind (a jejích sesterských projektů, projektové Typhoon a projekt Cyclone , s dalšími institucemi), a laboratoř umístěna Jay Forrester v důvěře projektu. Brzy postavili pro tento úkol velký analogový počítač , ale zjistili, že je nepřesný a nepružný. Řešení těchto problémů obecným způsobem by vyžadovalo mnohem větší systém, možná tak velký, že by bylo nemožné jej postavit. Judy Clapp byla jedním z prvních technických členů tohoto týmu.

Perry Crawford , další člen týmu MIT, viděl demonstraci ENIAC v roce 1945. Poté navrhl, že nejlepším řešením bude digitální počítač. Takový stroj by umožnil zlepšit přesnost simulací přidáním více kódu do počítačového programu , na rozdíl od přidávání částí do stroje. Dokud byl stroj dostatečně rychlý, neexistovala žádná teoretická omezení složitosti simulace.

Až do tohoto bodu byly všechny konstruované počítače vyhrazené pro jednotlivé úkoly a běžely v dávkovém režimu . Série vstupů byla nastavena předem a vložena do počítače, který zpracoval odpovědi a vytiskl je. To nebylo vhodné pro systém Whirlwind, který potřeboval nepřetržitě fungovat na neustále se měnící sérii vstupů. Rychlost se stala hlavním problémem: zatímco u jiných systémů to jednoduše znamenalo delší čekání na výtisk, u Whirlwind to znamenalo závažné omezení množství složitosti, kterou by simulace mohla zahrnovat.

Technický popis

Design a konstrukce

Do roku 1947 dokončili Forrester a spolupracovník Robert Everett pro tento úkol návrh vysokorychlostního počítače s uloženým programem . Většina počítačů té doby fungovala v bitově sériovém režimu , používala jednobitovou aritmetiku a krmila velkými slovy, často o velikosti 48 nebo 60 bitů, po jednom bitu. To prostě pro jejich účely nebylo dost rychlé, a tak Whirlwind zahrnoval šestnáct takových matematických jednotek, pracujících na úplném 16bitovém slově každý cyklus v bitově paralelním režimu. Ignorování rychlosti paměti, Whirlwind („20 000 operací s jednou adresou za sekundu“ v roce 1951) byl v podstatě šestnáctkrát rychlejší než ostatní stroje. Dnes téměř všechny CPU provádějí aritmetiku v režimu „bit-paralelně“.

Velikost slova byla vybrána po nějaké úvaze. Stroj fungoval tak, že téměř s každou instrukcí předával jedinou adresu, čímž se snížil počet přístupů do paměti. U operací se dvěma operandy, například s připočtením, se předpokládalo, že „jiný“ operand byl načten jako poslední. Whirlwind v tomto ohledu fungoval podobně jako reverzní polská kalkulačka zápisu ; kromě toho, že zde nebyl žádný zásobník operandů, pouze akumulátor . Návrháři se domnívali, že 2048 slov paměti bude minimální použitelné množství, což vyžaduje 11 bitů pro reprezentaci adresy, a že 16 až 32 instrukcí bude minimum pro dalších pět bitů - a tak to bylo 16 bitů.

Konstrukce Whirlwind začlenila obchod s ovládáním poháněný hlavními hodinami. Každý krok hodin vybral jeden nebo více signálních vedení v diodové matici, která umožňovala brány a další obvody na stroji. Speciální spínač směroval signály do různých částí matice k implementaci různých pokynů. Na počátku padesátých let Whirlwind I „havaroval v průměru každých 20 minut“.

Whirlwind stavba začala v roce 1948, úsilí, které zaměstnávalo 175 lidí. včetně 70 inženýrů a techniků. Ve třetím čtvrtletí roku 1949 byl počítač natolik pokročilý, že vyřešil rovnici a její řešení zobrazil na osciloskopu a dokonce i pro první animovanou a interaktivní počítačovou grafickou hru. Nakonec Whirlwind „úspěšně provedl digitální výpočet odposlechových kurzů“ 20. dubna 1951. Rozpočet projektu činil přibližně 1 milion dolarů ročně, což bylo výrazně vyšší než náklady na vývoj většiny ostatních počítačů té doby. Po třech letech ztratilo námořnictvo zájem. Během této doby se však letectvo začalo zajímat o používání počítačů k úkolu pozemně řízeného odposlechu a Whirlwind byl jediným strojem, který byl pro tento úkol vhodný. Začali vývoj v rámci projektu Claude .

Whirlwind vážil 20 000 liber (10 malých tun; 9,1 t).

Paměťový subsystém

Původní konstrukce stroje vyžadovala 2048 (2 kB) slov po 16 bitech z úložiště s náhodným přístupem. Jediné dvě dostupné paměťové technologie v roce 1949, které dokázaly pojmout tolik dat, byly zpožďovací linky rtuti a elektrostatické ukládání .

Linka zpoždění rtuti se skládala z dlouhé trubice naplněné rtutí , mechanického měniče na jednom konci a mikrofonu na druhém konci, podobně jako jednotka jarního reverbu později použitá při zpracování zvuku. Impulsy byly na jednom konci odeslány do linky zpoždění rtuti a na druhý konec trvalo určitý čas. Byly detekovány mikrofonem, zesíleny, přetvořeny do správného tvaru pulsu a odeslány zpět do zpožďovací linky. Paměť tedy údajně recirkulovala.

Mercury zpožďovací linky pracovaly přibližně rychlostí zvuku, takže byly na poměry počítačů velmi pomalé, a to i podle standardů počítačů z konce 40. a 50. let minulého století. Rychlost zvuku ve rtuti byla také velmi závislá na teplotě. Protože zpožďovací linka obsahovala definovaný počet bitů, frekvence hodin se musela měnit s teplotou rtuti. Pokud by existovalo mnoho zpožďovacích linek a všechny neměly vždy stejnou teplotu, data v paměti by se mohla snadno poškodit.

Konstruktéři Whirlwindu rychle zavrhli zpožďovací linku jako možnou paměť - byla jak příliš pomalá pro předpokládaný letecký simulátor, tak příliš nespolehlivá pro reprodukovatelný produkční systém, pro který měl být Whirlwind funkčním prototypem.

Alternativní forma paměti byla známá jako „elektrostatická“. Jednalo se o paměť katodové trubice, v mnoha aspektech podobná rané televizní obrazovce nebo trubici osciloskopu . Elektronové dělo poslal paprsek elektronů na druhý konec trubky, kde se ovlivnilo obrazovku. Paprsek by byl odkloněn, aby dopadl na konkrétní místo na obrazovce. Paprsek pak mohl v tomto bodě vytvořit záporný náboj nebo změnit náboj, který tam již byl. Měřením proudu paprsku bylo možné určit, zda byla skvrna původně nula nebo jedna a paprsek mohl uložit novou hodnotu.

V roce 1949 existovalo několik forem elektrostatických paměťových elektronek . Nejznámější je dnes Williamsova trubice vyvinutá v Anglii, ale existuje řada dalších, které byly vyvinuty nezávisle různými výzkumnými laboratořemi. Inženýři společnosti Whirlwind uvažovali o trubici Williams, ale zjistili, že dynamická povaha úložiště a potřeba častých obnovovacích cyklů jsou neslučitelné s cíli návrhu pro Whirlwind I. Místo toho se usadili na designu, který byl vyvíjen v radiační laboratoři MIT . Jednalo se o elektronkovou trubici se dvěma děly. Jedna zbraň produkovala ostře zaostřený paprsek pro čtení nebo zápis jednotlivých bitů. Druhá zbraň byla „záplavová zbraň“, která postříkala celou obrazovku nízkoenergetickými elektrony. V důsledku návrhu byla tato elektronka na rozdíl od dynamické RAM Williamsovy trubice spíše statickou RAM, která nevyžadovala obnovovací cykly .

Nakonec byla volba této trubice nešťastná. Williamsova trubice byla podstatně lépe vyvinuta a navzdory potřebě obnovy mohla snadno pojmout 1024 bitů na zkumavku a při správném provozu byla docela spolehlivá. Zkumavka MIT byla stále ve vývoji, a přestože cílem bylo uchovat 1024 bitů na zkumavku, tohoto cíle nebylo nikdy dosaženo, dokonce ani několik let poté, co plán volal po funkčních elektronkách plné velikosti. Specifikace také požadovaly dobu přístupu šest mikrosekund, ale skutečná doba přístupu byla kolem 30 mikrosekund. Protože základní doba cyklu procesoru Whirlwind I byla určena dobou přístupu do paměti, byl celý procesor pomalejší, než byl navržen.

Paměť s magnetickým jádrem

Obvody z hlavní paměťové jednotky Whirlwind
Zásobník jader z jádrové paměťové jednotky Whirlwind
Project Whirlwind core memory, circa 1951

Jay Forrester zoufale hledal vhodnou náhradu paměti pro svůj počítač. Zpočátku měl počítač pouze 32 slov úložiště a 27 z těchto slov byly registry pouze pro čtení vyrobené z přepínacích přepínačů . Zbývajících pět registrů bylo klopné úložiště, přičemž každý z pěti registrů byl vyroben z více než 30 elektronek . Toto „testovací úložiště“, jak bylo známo, mělo umožnit pokladnu zpracovatelských prvků, zatímco hlavní paměť nebyla připravena. Hlavní paměť byla tak pozdě, že první experimenty se sledováním letadel pomocí živých radarových dat byly prováděny pomocí programu ručně nastaveného do testovacího úložiště. Forrester narazil na reklamu na nový magnetický materiál vyráběný společností. Forrester uznal, že to má potenciál být médiem pro ukládání dat, a získal pracovní stůl v rohu laboratoře a získal několik vzorků materiálu, s nimiž se dalo experimentovat. Poté několik měsíců strávil v laboratoři tolik času, jako v kanceláři, která řídila celý projekt.

Na konci těchto měsíců vynalezl základy paměti s magnetickým jádrem a ukázal, že je pravděpodobné, že to bude možné. Jeho demonstrace se skládala z malé jádrové roviny o 32 jádrech, z nichž každá měla průměr tři osminy palce. Poté, co se ukázalo, že je tento koncept praktický, bylo nutné jej pouze zredukovat na funkční design. Na podzim roku 1949 získal Forrester postgraduálního studenta Williama N.Papiana, aby otestoval desítky jednotlivých jader a určil ty s nejlepšími vlastnostmi. Papianova práce byla posílena, když Forrester požádal studenta Dudleyho Allena Bucka, aby zpracoval materiál, a přidělil ho na pracovní stůl, zatímco Forrester se vrátil k řízení projektů na plný úvazek. (Buck by v laboratoři vymyslel kryotron a paměť adresovatelnou podle obsahu .)

Po přibližně dvou letech dalšího výzkumu a vývoje byli schopni demonstrovat základní rovinu, která byla vytvořena z 32 na 32 nebo 1024 jader, která obsahovala 1024 bitů dat. Dosáhli tedy původně zamýšlené velikosti úložiště elektrostatické trubice, což je cíl, kterého dosud nedosáhly samotné elektronky, přičemž v nejnovější generaci designu pojalo pouze 512 bitů na trubku. Velmi rychle byla vyrobena základní paměť o délce 1024 slov, která nahradila elektrostatickou paměť. Návrh a výroba elektrostatické paměti byla souhrnně zrušena, což ušetřilo spoustu peněz, které bylo třeba přerozdělit do jiných oblastí výzkumu. Později byly vyrobeny další dvě základní paměťové jednotky, čímž se zvětšila celková dostupná velikost paměti.

Vakuové trubky

Konstrukce používala přibližně 5 000 vakuových trubic .

Velký počet trubek použitých ve Whirlwindu měl za následek problematickou poruchovost, protože selhání jedné trubice by mohlo způsobit selhání systému. Standardním pentodem v té době byl 6AG7, ale testování v roce 1948 zjistilo, že jeho očekávaná životnost v provozu byla pro tuto aplikaci příliš krátká. V důsledku toho byl místo toho vybrán 7AD7, ale také to mělo příliš vysokou poruchovost v provozu. Vyšetřování příčin selhání zjistili, že křemík v wolframové slitiny z ohřívače vlákna byl příčinou otravy katody ; usazeniny orthokřemičitanu barnatého tvořícího se na katodě snižují nebo znemožňují jeho funkci vyzařování elektronů . 7AK7 trubice s vysoce čistého wolframového vlákna pak byla speciálně vyvinuta pro Whirlwindem od Sylvania .

Otrava katodou je nejhorší, když je trubice spuštěna přerušena se zapnutým ohřívačem. Komerční elektronky byly určeny pro rozhlasové (a později televizní) aplikace, kde se v tomto stavu provozují jen zřídka. Analogové aplikace, jako jsou tyto, udržují trubici v lineární oblasti, zatímco digitální aplikace přepínají trubici mezi přerušeným a plným vedením a procházejí lineární oblastí jen krátce. Dále komerční výrobci očekávali, že jejich trubice budou v provozu pouze několik hodin denně. Aby se tento problém zmírnil, byly ohřívače vypnuty na ventilech, u nichž se neočekává, že se budou spínat po dlouhou dobu. Napětí ohřívače bylo zapínáno a vypínáno pomalým průběhem rampy, aby se zabránilo tepelným šokům pro vlákna ohřívače.

Ani tato opatření nestačila k dosažení požadované spolehlivosti. Počáteční chyby byly proaktivně hledány testováním ventilů během období údržby. Byli podrobeni zátěžovým testům nazývaným okrajové testování, protože na ventily aplikovali napětí a signály až na jejich konstrukční okraje. Tyto testy byly navrženy tak, aby způsobily brzké selhání ventilů, které by jinak při provozu selhaly. Byly prováděny automaticky testovacím programem. Statistiky údržby za rok 1950 ukazují úspěch těchto opatření. Z 1622 používaných zkumavek 7AD7 243 selhalo, z nichž 168 bylo nalezeno okrajovým testováním. Z 1 412 používaných zkumavek 7AK7 selhalo 18, z nichž pouze 2 selhaly při mezní kontrole. Díky tomu byl Whirlwind mnohem spolehlivější než jakýkoli komerčně dostupný stroj.

Mnoho dalších vlastností režimu testování trubek Whirlwind nebylo standardními testy a vyžadovalo speciálně postavené vybavení. Jednou podmínkou, která vyžadovala speciální testování, bylo chvilkové zkratování několika zkumavek způsobené malými předměty, jako jsou vlákna uvnitř trubice. Občasné falešné krátké impulsy jsou v analogových obvodech menším problémem nebo dokonce zcela nepostřehnutelné, ale v digitálním obvodu pravděpodobně budou katastrofální. Ty se při standardních testech neobjevily, ale mohly být objeveny ručně poklepáním na skleněnou obálku. K automatizaci tohoto testu byl vybudován obvod spouštěný thyratronem.

Sítě protivzdušné obrany

Po připojení k experimentálnímu radaru pro mikrovlnné včasné varování (MEW) na Hanscom Field pomocí zařízení Jacka Harringtona a komerčních telefonních linek byla letadla sledována Whirlwind I. Systém Cape Cod následně demonstroval počítačovou protivzdušnou obranu pokrývající jižní Novou Anglii . Signály ze tří radarů s dlouhým dosahem (AN/FPS-3), jedenácti radarů vyplňujících mezery a tří radarů zjišťujících výšku byly přenášeny přes telefonní linky do počítače Whirlwind I v Cambridgi, Massachusetts . Konstrukce Whirlwind II pro větší a rychlejší stroj (nikdy nedokončená) byla základem systému protivzdušné obrany SAGE IBM AN/FSQ-7 Combat Direction Central .

Dědictví

Whirlwind použil přibližně 5 000 vakuových trubic. Bylo také zahájeno úsilí o převedení designu Whirlwind do tranzistorové podoby, vedené Kenem Olsenem a známým jako TX-0 . TX-0 byl velmi úspěšný a byly vytvořeny plány na vytvoření ještě větší verze známé jako TX-1. Tento projekt byl však příliš ambiciózní a musel být zmenšen na menší verzi známou jako TX-2 . I tato verze se ukázala jako problematická a Olsen odešel v polovině projektu založit společnost Digital Equipment Corporation (DEC). DEC PDP-1 byl v podstatě souborem konceptů TX-0 a TX-2 v menším balení.

Po podpoře SAGE byl Whirlwind I pronajat (1 $/rok) od 30. června 1959 do roku 1974 členem projektu Billem Wolfem.

Ken Olsen a Robert Everett zachránili stroj, který se stal základem pro Boston Computer Museum v roce 1979. Nyní je ve sbírce Computer History Museum v Mountain View v Kalifornii .

V únoru 2009 je v Charles River Museum of Industry & Innovation ve Walthamu ve státě Massachusetts zobrazena základní paměťová jednotka . Jedno letadlo, zapůjčené z Computer History Museum , je vystaveno jako součást expozic Historic Computer Science v Gates Computer Science Building, Stanford .

Budova, ve které sídlil Whirlwind, byla donedávna domovem IT oddělení celého informačního centra MIT, informačních služeb a technologie a v letech 1997–1998 byla obnovena její původní vnější podoba.

Viz také

Reference

externí odkazy

Evidence
Předcházet
-
Nejvýkonnější počítač na světě
1951–1954
Uspěl
IBM NORC