Вихрь I - Whirlwind I - Wikipedia

Вихрь I
Музей науки, Бостон, Массачусетс - IMG 3168.JPG
Элементы компьютера Whirlwind: основная память (слева) и пульт оператора
Семейство продуктов«Вихрь»[1]/ "Вихревой проект"[2]
Дата выхода20 апреля 1951 г. (1951-04-20)

Вихрь I был Холодная война -эра ламповый компьютер разработан Массачусетский технологический институт Лаборатория сервомеханизмов для ВМС США. Это был один из первых цифровых электронных компьютеров, которые работали в режиме реального времени для вывода, и первый, который не был просто электронной заменой старых механических систем.

Это был один из первых компьютеров, который параллельно (скорее, чем серийный ), и был первым, кто использовал магнитная память.

Его разработка напрямую привела к созданию Whirlwind II, который был использован в качестве основы для ВВС США МУДРЕЦ системы противовоздушной обороны, и косвенно почти на все бизнес-компьютеры и миникомпьютеры в 1960-е годы[3] особенно из-за «короткой длины слова, скорости, людей».[4]

Фон

В течение Вторая Мировая Война, то ВМС США с Военно-морская исследовательская лаборатория обратился в MIT по поводу возможности создания компьютера для управления симулятор полета для тренировки бомбардировщик экипажи. Они представили довольно простую систему, в которой компьютер будет постоянно обновлять моделируемую приборную панель на основе управляющих сигналов от пилотов. В отличие от старых систем, таких как Link Trainer, система, которую они представляли, будет иметь значительно более реалистичную аэродинамика модель, которая может быть адаптирована 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] провели краткий опрос, который пришел к выводу, что такая система возможна. ВМФ Управление военно-морских исследований решил профинансировать разработку под Проект Вихрь,[6] и лаборатория разместила Джей Форрестер отвечает за проект. Вскоре они построили большой аналоговый компьютер для задачи, но обнаружил, что он неточный и негибкий. Решение этих проблем в общих чертах потребует гораздо большей системы, возможно, такой большой, что ее невозможно будет построить. Джуди Клэпп был одним из первых старших технических членов этой команды.

Перри Кроуфорд, другой член команды Массачусетского технологического института, видел демонстрацию ENIAC в 1945 году. Затем он предположил, что цифровой компьютер будет лучшим решением. Такая машина позволила бы повысить точность моделирования за счет добавления большего количества кода в компьютерная программа, в отличие от добавления деталей к машине. Пока машина была достаточно быстрой, не было теоретических пределов сложности моделирования.

До этого момента все построенные компьютеры были предназначены для выполнения отдельных задач и работали в пакетный режим. Был заранее настроен ряд входных данных, которые вводились в компьютер, который обрабатывал ответы и распечатывал их. Это не подходило для системы Whirlwind, которая должна была постоянно работать с постоянно меняющейся серией входов. Скорость стала серьезной проблемой: в то время как в других системах это просто означало более длительное ожидание распечатки, в Whirlwind это означало серьезное ограничение степени сложности, которую могло включать моделирование.

Техническое описание

Дизайн и конструкция

К 1947 году Форрестер и его сотрудник Роберт Эверетт завершено проектирование скоростной компьютер с хранимой программой для этой задачи. Большинство компьютеров той эпохи работали в бит-последовательный Режим, 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 включил шестнадцать таких математических единиц, оперируя полным 16-битным словом каждый цикл. бит-параллельный режим. Игнорируя скорость памяти, Whirlwind («20000 одноадресных операций в секунду» в 1951 году)[7] была в шестнадцать раз быстрее, чем другие машины. Сегодня почти все Процессоры выполнять арифметические действия в «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 сложении, «другой» операнд считался загруженным последним. Вихрь действовал как обратная польская запись калькулятор в этом отношении; за исключением того, что не было стека операндов, только аккумулятор. Разработчики считали, что 2048 слов памяти будут минимальным используемым объемом, требующим 11 бит для представления адреса, и что от 16 до 32 инструкций будут минимумом для других пяти битов - и поэтому это было 16 бит.[8]

Дизайн Whirlwind включал в себя магазин управления управляется мастер-часами. Каждый шаг часов выбирает одну или несколько сигнальных линий в диодная матрица это позволило воротам и другим цепям на машине. Специальный переключатель направляет сигналы в разные части матрицы для выполнения разных инструкций.[нужна цитата ] В начале 1950-х Whirlwind I «падал в среднем каждые 20 минут».[9]

Строительство Whirlwind началось в 1948 году, в нем работало 175 человек. в том числе 70 инженеров и техников. В третьем квартале 1949 года компьютер был достаточно развит, чтобы решить уравнение и отобразить его решение на осциллографе.[10]:11.13[11] и даже для первой анимированной и интерактивной компьютерной графической игры.[12][13] Наконец, 20 апреля 1951 года Whirlwind "успешно выполнил цифровой расчет курсов перехвата".[14][10]:11.20–21 Бюджет проекта составлял примерно 1 миллион долларов в год, что значительно превышало затраты на разработку большинства других компьютеров того времени. Через три года флот потерял интерес. Однако в это время ВВС заинтересовались использованием компьютеров для решения задачи наземный перехват, и «Вихрь» был единственной машиной, подходящей для этой задачи. Они занялись разработкой под Проект Клод.

Вихрь весил 20 000 фунтов (10 коротких тонн; 9,1 т).[15]

Подсистема памяти

Первоначальная конструкция машины требовала для хранения с произвольным доступом 2048 (2К) слов по 16 бит каждое. Единственными двумя доступными технологиями памяти в 1949 году, которые могли хранить такое количество данных, были ртутные линии задержки и электростатический накопитель.

Линия задержки ртути состояла из длинной трубки, заполненной Меркурий, механический преобразователь на одном конце и микрофон на другом конце, как весенний ревербератор устройство позже использовалось при обработке звука. Импульсы подавались на ртутную линию задержки на одном конце, и им потребовалось определенное время, чтобы достичь другого конца. Они были обнаружены микрофоном, усилены, преобразованы в правильную форму импульса и отправлены обратно в линию задержки. Таким образом, было сказано, 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 сильно зависела от температуры. Поскольку линия задержки содержала определенное количество битов, частота тактовых импульсов должна была изменяться в зависимости от температуры ртути. Если бы линий задержки было много, и все они не всегда имели одинаковую температуру, данные памяти могли бы легко испортиться.

Конструкторы Whirlwind быстро отбросили линию задержки как возможную память - она ​​была слишком медленной для предполагаемого имитатора полета 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 раннюю телевидение кинескоп или же осциллограф трубка. An электронная пушка послал пучок электронов в дальний конец трубки, где они столкнулись с экраном. Луч будет отклоняться, чтобы приземлиться в определенном месте на экране. Затем луч мог создать отрицательный заряд в этой точке или изменить заряд, который уже был там. Измеряя ток луча, можно было определить, было ли пятно изначально нулем или единицей, и луч мог сохранить новое значение.

Было несколько форм трубки с электростатической памятью существовал в 1949 году. Самым известным сегодня является Трубка Вильямса, были разработаны в Англии, но был и ряд других, разработанных независимо различными исследовательскими лабораториями. Инженеры Whirlwind рассмотрели трубку Вильямса, но определили, что динамический характер хранилища и необходимость частого циклы обновления несовместимо с целями дизайна Whirlwind I. Вместо этого они остановились на дизайне, который разрабатывался в Массачусетский технологический институт Радиационная лаборатория. Это была электронная лампа с двумя пушками. Одна пушка производила остро сфокусированный луч для чтения или записи отдельных битов. Другой пистолет был «наводнением», который распылял на весь экран электроны низкой энергии. В результате конструкции эта трубка была больше похожа на статическая RAM которые не требовали циклов обновления, в отличие от динамическое ОЗУ Трубка Вильямса.

В итоге выбор этой трубки оказался неудачным. Трубка Вильямса была разработана значительно лучше, и, несмотря на необходимость обновления, могла легко содержать 1024 бит на трубку и была довольно надежной при правильной эксплуатации. Трубка MIT все еще находилась в разработке, и хотя целью было удерживать 1024 бит на трубку, эта цель не была достигнута даже через несколько лет после того, как план предусматривал создание полноразмерных функциональных трубок. Кроме того, спецификации требовали время доступа 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.

Магнитная память

Схемотехника из основного блока памяти Whirlwind
Базовый стек из основного блока памяти Whirlwind
Проект Вихрь основная память, около 1951 г.

Джей Форрестер отчаянно пытался найти подходящую замену памяти для своего компьютера. Первоначально в компьютере было всего 32 слова, и 27 из них были только чтение регистры из тумблеры. Остальные пять регистров были резкий поворот хранилище, причем каждый из пяти регистров состоит из более чем 30 вакуумные трубки. Это «тестовое хранилище», как оно было известно, предназначалось для проверки элементов обработки, когда основная память не была готова. Основная память так запоздала, что первые эксперименты по слежению за самолетами живыми радар данные были получены с помощью программы, вручную установленной в тестовое хранилище. Форрестер наткнулся на рекламу нового магнитного материала, производимого одной компанией. Понимая, что это потенциально может быть носитель 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 тех месяцев он изобрел основы магнитная память и продемонстрировал, что это возможно. Его демонстрация состояла из небольшой базовой плоскости из 32 сердечников, каждое из которых составляло три восьмых дюйма в диаметре. Продемонстрировав, что концепция практична, ее нужно было только свести к работоспособному проекту. Осенью 1949 года компания Forrester привлекла аспиранта Уильяма Н. Папяна к испытаниям десятков отдельных ядер, чтобы определить те, которые обладают наилучшими свойствами.[10] Работа Папяна была поддержана, когда Форрестер попросил студента Дадли Аллен Бак[16][17][18] поработать над материалом и поручил ему верстак, а Форрестер вернулся к постоянному управлению проектами. (Бак продолжал 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 первоначально запланированного размера хранения электростатической трубки, цели, которая еще не была достигнута самими трубками, и в последнем поколении дизайна они могли хранить только 512 бит на трубку. Очень быстро была изготовлена ​​основная память на 1024 слова, которая заменила электростатическую память. Разработка и производство электростатической памяти были отменены, что позволило сэкономить много денег, которые можно было перераспределить в другие области исследований. Позже были изготовлены два дополнительных модуля основной памяти, что увеличило общий объем доступной памяти.

Вакуумные трубки

В дизайне использовано около 5000 вакуумные трубки.

Большое количество трубок, используемых в Whirlwind, привело к проблематичной частоте отказов, поскольку отказ одной трубы мог вызвать отказ системы. Стандарт пентод в то время это был 6AG7, но испытания в 1948 году показали, что его ожидаемый срок службы был слишком коротким для этого приложения. Следовательно, вместо него был выбран 7AD7, но у него также было слишком много отказов в эксплуатации. Расследование причин сбоев показало, что кремний в вольфрамовый сплав из нагревательная нить было причиной катодное отравление; депозиты ортосиликат бария формирование на катод уменьшить или предотвратить его функцию излучения электроны. В 7AK7 трубка с вольфрамовой нитью высокой чистоты была затем специально разработана для Whirlwind компанией Сильвания.[19]:59–60

Катодное отравление является наиболее тяжелым, когда трубка работает в отрезать с включенным обогревателем. Коммерческие лампы предназначались для радио (а позже и телевидения) приложений, где они редко используются в таком состоянии. Аналоговые приложения, подобные этим, удерживают трубку в линейной области, тогда как цифровые приложения переключают трубку между отсечкой и полной проводимостью, лишь ненадолго проходя через линейную область. Кроме того, коммерческие производители ожидали, что их лампы будут использоваться только несколько часов в день.[19]:59 Чтобы решить эту проблему, нагреватели были отключены на клапанах, которые не должны были переключаться на длительное время. Напряжение нагревателя включалось и выключалось с медленным форма волны нарастания избежать тепловой удар к нитям нагревателя.[20]:226

Даже этих мер было недостаточно для достижения требуемой надежности. Начальные неисправности заранее выявлялись путем тестирования клапанов во время периодов технического обслуживания. Они были подвержены стресс-тесты называется предельное тестирование потому что они подавали напряжения и сигналы на клапаны с точностью до их расчетных пределов. Эти испытания были разработаны, чтобы выявить ранний отказ клапанов, которые в противном случае вышли бы из строя во время эксплуатации. Они были выполнены автоматически тестовой программой.[19]:60–61 Статистика технического обслуживания за 1950 год показывает успех этих мер. Из 1622 используемых пробирок 7AD7 243 вышли из строя, из которых 168 были обнаружены при предельных испытаниях. Из 1412 используемых трубок 7AK7 18 вышли из строя, из которых только 2 вышли из строя во время предельной проверки. В результате Whirlwind оказался намного надежнее любой коммерчески доступной машины.[19]:61–62

Многие другие особенности режима испытаний вихревой трубки не были стандартными испытаниями и требовали специального оборудования. Одним из условий, требующих специального тестирования, было кратковременное короткое замыкание на нескольких трубках, вызванное небольшими предметами, такими как ворс внутри трубки. Случайные ложные короткие импульсы являются незначительной проблемой или даже совершенно незаметны в аналоговых схемах, но могут иметь катастрофические последствия для цифровых схем. Они не обнаруживались при стандартных тестах, но их можно было обнаружить вручную, нажав на стеклянный конверт. Для автоматизации этого теста была построена схема, запускаемая тиратроном.[20]:225

Сети ПВО

После подключения к экспериментальной РЛС раннего микроволнового обнаружения (MEW) в Hanscom Field используя оборудование Джека Харрингтона и коммерческие телефонные линии,[21] Самолеты отслеживались с помощью Whirlwind I.[22] В Система Кейп-Код впоследствии продемонстрировал компьютеризированный противовоздушная оборона покрывая южный Новая Англия.[уточнить ] Сигналы от трех радаров дальнего действия (AN / FPS-3), одиннадцати радаров заполнения промежутков и трех радаров для определения высоты передавались через телефонные линии к компьютеру Whirlwind I в Кембридж, Массачусетс. Конструкция Whirlwind II для более крупной и быстрой машины (так и не завершенной) была основой для МУДРЕЦ система ПВО IBM AN / FSQ-7 Центральное боевое управление.

Наследие

В Whirlwind использовалось около 5000 электронных ламп. Также была начата попытка преобразовать дизайн Whirlwind в транзисторную форму, во главе с Кен Олсен и известный как TX-0. TX-0 был очень успешным, и в планах было сделать еще более крупную версию, известную как TX-1. Однако этот проект был слишком амбициозным, и его пришлось сократить до меньшей версии, известной как TX-2. Даже эта версия оказалась проблемной, и Олсен ушел в середине проекта, чтобы начать. Корпорация цифрового оборудования (DEC). DEC PDP-1 По сути, представлял собой набор концептов TX-0 и TX-2 в меньшем корпусе.[23]

После поддержки SAGE, Whirlwind I арендовал (1 доллар в год) с 30 июня 1959 по 1974 год участником проекта Биллом Вольфом.

Кен Олсен и Роберт Эверетт спасла машина, ставшая основой для Бостонский компьютерный музей в 1979 году. Сейчас находится в коллекции Музей истории компьютеров в Маунтин-Вью, Калифорния.

По состоянию на февраль 2009 г., основной блок памяти отображается в Музей промышленности и инноваций Чарльза Ривер в Уолтем, Массачусетс. Один самолет[требуется разъяснение ]взаймы у Музей истории компьютеров, отображается как часть дисплеев Historic Computer Science в Здание компьютерных наук Гейтса, Стэнфорд.

В здании, в котором размещался Whirlwind, до недавнего времени располагался ИТ-отдел, информационные услуги и технологии Массачусетского технологического института, а в 1997–1998 годах ему был восстановлен его первоначальный внешний вид.[24]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Редмонд, Кент С.; Смит, Томас М. (1980). Project Whirlwind: История компьютера-пионера. Бедфорд, Массачусетс: Цифровая пресса. ISBN  0-932376-09-6. Получено 2012-12-31.
  2. ^ «Compaq передает музею исторические артефакты SAGE, Whirlwind». MITnews. 26 сентября 2001 г.. Получено 2013-08-12.
  3. ^ «IBM выигрывает от холодной войны». Грейс Хоппер и изобретение информационного века. Книга Baby. 2015 г.
  4. ^ Ларри Уоткинс (май 1982 г.). "История миникомпьютеров DEC". Печатная копия. С. 12–19. Из них скорость - наименее важный фактор с исторической точки зрения .. люди - очень важный фактор. Кен Олсен .. Бен Герли
  5. ^ Интервью с Дугласом Т. Россом (pdf стенограмма записи вокала), получено 2013-08-12
  6. ^ Проект Whirlwind - это высокоскоростная компьютерная деятельность, спонсируемая Лабораторией цифровых компьютеров, ранее входившей в состав Лаборатории сервомеханизмов Массачусетского технологического института (MIT), Управлением военно-морских исследований США (ONR) и ВВС США. IEEE Computer Society
  7. ^ Эверетт, Р. Р. (1951). "Компьютер Whirlwind I". Доклады и обсуждения, представленные на совместной компьютерной конференции AIEE-IRE 10–12 декабря 1951 г.: Обзор электронных цифровых компьютеров. ACM: 70–74. Дои:10.1145/1434770.1434781. S2CID  14937316. Получено 2013-08-12.
  8. ^ Everett, R. R .; Суэйн, Ф. Э. (4 сентября 1947 г.). Блок-схемы ЭБУ Report R-127 Whirlwind I. (PDF) (Отчет). Лаборатория сервомеханизмов, Массачусетский технологический институт. п. 2. Архивировано из оригинал (PDF) на 2006-09-08. Получено 2012-12-31. Базовая частота импульсов для работы компьютера составит один мегацикл. […] Компьютер Whirlwind I рассчитан на хранение 2048 чисел по 16 двоичных знаков каждое.
  9. ^ Интервью с Фернандо Х. Корбато (pdf стенограмма записи вокала), получено 2013-08-12
  10. ^ а б c Редмонд, Кент С.; Смит, Томас М. (ноябрь 1975 г.). «Проект Вихрь». Корпорация МИТЕР. п. 11,6. Получено 2016-07-22.
  11. ^ «2. Вихрь I». Информационный бюллетень по цифровым компьютерам. 2 (1): 1–2. 1950-01-01.
  12. ^ Педди, Джон (13.06.2013). История визуальной магии на компьютерах: как красивые изображения создаются в САПР, 3D, VR и AR. Springer Science & Business Media. С. 81–82. ISBN  9781447149323.
  13. ^ Анхелес, Калифорнийский университет, Лос-Анджелес; Inc, информатика (1967). Компьютерная графика; утилита, производство, искусство. Thompson Book Co., стр. 106.
  14. ^ Босло, Дэвид Л. (16 апреля 2003 г.). Когда компьютеры вышли в море: оцифровка ВМС США. Джон Вили и сыновья. п. 102. ISBN  9780471472209.
  15. ^ 10 коротких тонн:
    • Вейк, Мартин Х. (декабрь 1955 г.). «ВИХРЬ-И». ed-thelen.org. Обзор отечественных электронных цифровых вычислительных систем.,
    20000 фунтов:
    • Вейк, Мартин Х. (июнь 1957 г.). "ВИХРЬ Я". ed-thelen.org. Второй обзор отечественных электронных цифровых вычислительных систем.
  16. ^ http://dome.mit.edu/bitstream/handle/1721.3/38908/MC665_r04_E-504.pdf
  17. ^ http://dome.mit.edu/bitstream/handle/1721.3/39012/MC665_r04_E-460.pdf
  18. ^ https://spectrum.ieee.org/computing/hardware/dudley-bucks-forgotten-cryotron-computer
  19. ^ а б c d Бернд Ульманн, AN / FSQ-7: компьютер, который сформировал холодную войну, Walter de Gruyter GmbH, 2014 г. ISBN  3486856707.
  20. ^ а б E.S. Рич, Н. Х. Тейлор, "Анализ отказов компонентов в компьютерах", Материалы симпозиума по электронным компонентам повышенного качества, т. 1, стр. 222–233, Ассоциация производителей радио и телевидения, 1950.
  21. ^ Джейкобс, Джон Ф. (1986). Система ПВО SAGE: личная история (Google Книги). Корпорация МИТЕР. Получено 2013-08-12.
  22. ^ Лемниос, Уильям З .; Грометштейн, Алан А. Обзор программы противоракетной обороны лаборатории Линкольна (PDF) (Отчет). п. 10. Получено 2012-12-31.
  23. ^ Пирсон, Джейми П. (1992). "dec.digital_at_work" (PDF). Корпорация цифрового оборудования. п. 3.
  24. ^ Во, Элис С. (14 января 1998 г.). «В N42 много компьютерной истории». MIT News Office.

внешняя ссылка

Записи
Предшествует
-		 Самый мощный компьютер в мире
1951–1954		Преемник
IBM NORC