Ako fungoval elektrónkový počítač Whirlwind I

Whirlwind I (Víchrica i)  bol elektrónkový počítač z čias studenej vojny vyvinutý laboratóriom servomechanizmov MIT pre americké námorníctvo. 

Sprevádzkovaný v roku 1951 bol jedným z prvých digitálnych elektronických počítačov, ktoré pracovali na výstupe v reálnom čase, a prvý, ktorý nebol jednoduchou elektronickou náhradou starších mechanických systémov.

Bol to jeden z prvých počítačov, ktoré počítali bitovo paralelne (a nie bitovo sériovo ) a bol prvým, ktorý používal pamäť s magnetickým jadrom .

Jeho vývoj viedol priamo k návrhu Whirlwind II, ktorý sa používal ako základ pre systém protivzdušnej obrany United States Air Force SAGE , a nepriamo takmer ku všetkým podnikovým počítačom a minipočítačom v 60. rokoch najmä kvôli mantre „krátke slovo, rýchlosť, ľudia.”

Počas druhej svetovej vojny sa námorné výskumné laboratórium amerického námorníctva obrátilo na MIT o možnosti vytvorenia počítača na riadenie leteckého simulátora pre výcvik posádok  bombardérov . Predstavili si pomerne jednoduchý systém, v ktorom by počítač neustále aktualizoval simulovaný prístrojový panel na základe riadiacich vstupov od pilotov. Na rozdiel od starších systémov, ako je Link Trainer , by systém, ktorý si predstavovali, mal podstatne realistickejší aerodynamický model, ktorý by sa dal prispôsobiť akémukoľvek typu lietadla. Toto bola dôležitá úvaha v čase, keď sa do prevádzky zavádzalo veľa nových dizajnov.

Laboratórium Servomechanisms v budove MIT 32 vykonalo krátky prieskum, ktorý dospel k záveru, že takýto systém je možný. Námorný úrad pre námorný výskum sa rozhodol financovať vývoj v rámci projektu Whirlwind (a jeho sesterských projektov Project Typhoon a Project Cyclone s ďalšími inštitúciami) a laboratórium poverilo vedením projektu Jaya Forrestera . Čoskoro postavili veľký analógový počítač pre túto úlohu, ale zistili, že je nepresný a neflexibilný. Riešenie týchto problémov všeobecným spôsobom by si vyžadovalo oveľa väčší systém, možno taký veľký, že by ho nebolo možné postaviť. Judy Clapp bola skorým starším technickým členom tohto tímu.

Perry Crawford , ďalší člen tímu MIT, videl demonštráciu ENIAC v roku 1945. Potom navrhol, že digitálny počítač by bol najlepším riešením. Takýto stroj by umožnil zlepšiť presnosť simulácií pridaním väčšieho množstva kódu do počítačového programu , na rozdiel od pridávania častí do stroja. Pokiaľ bol stroj dostatočne rýchly, neexistoval žiadny teoretický limit na zložitosť simulácie.

Až do tohto bodu boli všetky skonštruované počítače určené na jednotlivé úlohy a fungovali v dávkovom režime . Séria vstupov bola vopred nastavená a privedená do počítača, ktorý vypracuje odpovede a vytlačí ich. To nebolo vhodné pre systém Whirlwind, ktorý potreboval nepretržite fungovať na neustále sa meniacej sérii vstupov. Rýchlosť sa stala hlavným problémom: zatiaľ čo pri iných systémoch to jednoducho znamenalo dlhšie čakanie na výtlačok, pri Whirlwind to znamenalo vážne obmedzenie množstva zložitosti, ktorú môže simulácia zahŕňať.

V roku 1947 Forrester a jeho spolupracovník Robert Everett dokončili návrh vysokorýchlostného počítača s uloženým programom pre túto úlohu. Väčšina počítačov tej doby pracovala v bitovom sériovom režime , používali jednobitovú aritmetiku a podávali veľké slová, často s veľkosťou 48 alebo 60 bitov, po jednom bite. To jednoducho nebolo dosť rýchle na ich účely, takže Whirlwind obsahoval šestnásť takýchto matematických jednotiek, ktoré pracovali s úplným 16-bitovým slovom každý cyklus v bitovo paralelnom režime. Bez ohľadu na rýchlosť pamäte bol Whirlwind („20 000 operácií s jednou adresou za sekundu“ v roku 1951) v podstate šestnásťkrát rýchlejší ako iné stroje. Dnes takmer všetky CPU vykonávajú aritmetiku v “bit-paralelnom” režime.

Slovo veľkosť bolo vybrané po dlhšom uvažovaní. Stroj fungoval tak, že takmer s každou inštrukciou odovzdal jednu adresu, čím sa znížil počet prístupov do pamäte. Pri operáciách s dvoma operandami sa pri pridávaní napríklad predpokladalo, že „iný“ operand je posledný načítaný. Whirlwind v tomto ohľade fungoval podobne ako reverzná poľská notačná kalkulačka ; okrem toho tam nebol žiadny zásobník operandov, iba akumulátor . Dizajnéri sa domnievali, že 2048 slov pamäte by bolo minimálne použiteľné množstvo, vyžadujúce 11 bitov na reprezentáciu adresy, a že 16 až 32 inštrukcií by bolo minimum pre ďalších päť bitov – a tak to bolo 16 bitov. 

Dizajn Whirlwind zahŕňal kontrolný obchod poháňaný hlavnými hodinami. Každý krok hodín vybral jednu alebo viac signálových čiar v diódovej matici , ktorá umožnila brány a ďalšie obvody na stroji. Špeciálny prepínač smeroval signály do rôznych častí matice na implementáciu rôznych pokynov. Začiatkom 50. rokov 20. storočia Whirlwind I “spadol v priemere každých 20 minút.”

Výstavba Whirlwind sa začala v roku 1948 a toto úsilie zamestnávalo 175 ľudí vrátane 70 inžinierov a technikov. Zdá sa, že použitie násobenia carry save bolo prvýkrát zavedené v počítači Whirlwind koncom 40. rokov 20. storočia. V treťom štvrťroku 1949 bol počítač dostatočne pokročilý na to, aby vyriešil rovnicu a zobrazil jej riešenie na osciloskope, a dokonca aj pre prvú animovanú a interaktívnu počítačovú grafickú hru. Dňa apríla 1951 „úspešne dokončil digitálny výpočet odpočúvacích kurzov ^“ . náklady na väčšinu ostatných počítačov tej doby. Po troch rokoch stratilo námorníctvo záujem. Počas tejto doby sa však letectvo začalo zaujímať o používanie počítačov na pomoc pri úlohe pozemného riadeného odpočúvania a Whirlwind bol jediný stroj vhodný na túto úlohu. Začali s vývojom v rámci projektu Claude .

Whirlwind vážil 20 000 libier (10 ton) a zaberal viac ako 2 000 štvorcových stôp.

Pôvodný dizajn stroja vyžadoval 2048 (2K) slov po 16 bitoch úložiska s náhodným prístupom. Jedinými dvomi dostupnými pamäťovými technológiami v roku 1949, ktoré dokázali udržať toľko údajov, boli ortuťové oneskorovacie vedenia a elektrostatické ukladanie .

Ortuťová oneskorovacia linka pozostávala z dlhej trubice naplnenej ortuťou , mechanického prevodníka na jednom konci a mikrofónu na druhom konci, podobne ako pružinová reverb jednotka neskôr použitá pri spracovaní zvuku. Impulzy boli posielané do ortuťového oneskorovacieho vedenia na jednom konci a trvalo im určitý čas, kým dosiahli druhý koniec. Boli detekované mikrofónom, zosilnené, preformované do správneho tvaru impulzu a odoslané späť do oneskorovacej linky. Teda spomienka vraj recirkulovala.

Merkúrové oneskorovacie linky fungovali približne rýchlosťou zvuku, takže boli z počítačového hľadiska veľmi pomalé, dokonca aj podľa štandardov počítačov z konca 40. a 50. rokov 20. storočia. Rýchlosť zvuku v ortuti tiež veľmi závisela od teploty. Pretože oneskorovacia linka obsahovala definovaný počet bitov, frekvencia hodín sa musela meniť s teplotou ortuti. Ak by bolo veľa oneskorovacích liniek a nie všetky mali vždy rovnakú teplotu, dáta v pamäti by sa mohli ľahko poškodiť.

Dizajnéri Whirlwind rýchlo zavrhli oneskorovaciu linku ako možnú pamäť – bola príliš pomalá pre predpokladaný letecký simulátor a príliš nespoľahlivá pre reprodukovateľný produkčný systém, pre ktorý mal byť Whirlwind funkčným prototypom.

Alternatívna forma pamäte bola známa ako „elektrostatická“. Bola to pamäť s katódovou trubicou, podobná v mnohých aspektoch ranej televíznej obrazovke alebo osciloskopovej trubici. Elektrónové delo vyslalo lúč elektrónov na vzdialený koniec trubice, kde dopadli na obrazovku. Lúč by sa odklonil, aby pristál na určitom mieste na obrazovke. Lúč by potom mohol v tomto bode vytvoriť záporný náboj alebo zmeniť náboj, ktorý tam už bol. Meraním prúdu lúča sa dalo určiť, či bol bod pôvodne nula alebo jednotka, a lúč mohol uložiť novú hodnotu.

V roku 1949 existovalo niekoľko foriem elektrostatických pamäťových elektrónok. Najznámejšia je dnes Williamsova elektrónka vyvinutá v Anglicku, ale existovalo množstvo ďalších, ktoré boli vyvinuté nezávisle rôznymi výskumnými laboratóriami. Inžinieri Whirlwind uvažovali o Williamsovej trubici, ale zistili, že dynamická povaha úložiska a potreba častých obnovovacích cyklov boli nezlučiteľné s cieľmi návrhu pre Whirlwind I. Namiesto toho sa rozhodli pre dizajn, ktorý sa vyvíjal v laboratóriu MIT Radiation Laboratory. . Bola to dvojramenná elektrónka. Jedna zbraň produkovala ostro zaostrený lúč na čítanie alebo zapisovanie jednotlivých bitov. Druhou pištoľou bola „povodňová pištoľ“, ktorá postriekala celú obrazovku nízkoenergetickými elektrónmi. V dôsledku konštrukcie bola táto elektrónka skôr statická RAM , ktorá nevyžadovala obnovovacie cykly, na rozdiel od dynamickej RAM Williamsovej elektrónky.

Nakoniec bol výber tejto trubice nešťastný. Williamsova elektrónka bola podstatne lepšie vyvinutá a napriek potrebe obnovenia mohla ľahko pojať 1024 bitov na elektrónku a bola celkom spoľahlivá, keď sa správne ovládala. Rúrka MIT bola stále vo vývoji a zatiaľ čo cieľom bolo udržať 1024 bitov na elektrónku, tento cieľ sa nikdy nedosiahol, dokonca ani niekoľko rokov po tom, čo plán požadoval funkčné elektrónky plnej veľkosti. Špecifikácie tiež požadovali prístupový čas šesť mikrosekúnd, ale skutočný prístupový čas bol okolo 30 mikrosekúnd. Keďže základný čas cyklu procesora Whirlwind I bol určený dobou prístupu do pamäte, celý procesor bol pomalší, ako bolo navrhnuté.

Jay Forrester zúfalo hľadal vhodnú náhradu pamäte pre svoj počítač. Spočiatku mal počítač iba 32 slov a 27 z týchto slov boli registre len na čítanie vyrobené z prepínačov . Zvyšných päť registrov bolo klopných , pričom každý z piatich registrov bol vyrobený z viac ako 30 elektrónok . Toto „testovacie úložisko“, ako bolo známe, bolo určené na umožnenie kontroly prvkov spracovania, kým hlavná pamäť nebola pripravená. Hlavná pamäť bola taká oneskorená, že prvé experimenty sledovania lietadiel so živými radarovými údajmi boli vykonané pomocou programu manuálne nastaveného do skúšobného úložiska. Forrester narazil na reklamu na nový magnetický materiál vyrábaný spoločnosťou. Forrester si uvedomil, že toto má potenciál byť dátovým pamäťovým médiom, a tak získal pracovný stôl v rohu laboratória a získal niekoľko vzoriek materiálu na experimentovanie. Potom niekoľko mesiacov strávil v laboratóriu toľko času ako v kancelárii riadením celého projektu.

Na konci týchto mesiacov vynašiel základy pamäte s magnetickým jadrom a ukázal, že je pravdepodobné, že to bude možné. Jeho demonštrácia pozostávala z malej jadrovej roviny 32 jadier, každé s priemerom tri osminy palca. Po preukázaní, že koncept bol praktický, bolo potrebné ho zredukovať na funkčný dizajn. Na jeseň roku 1949 Forrester poveril postgraduálneho študenta Williama N. Papiana, aby otestoval desiatky jednotlivých jadier, aby určil tie s najlepšími vlastnosťami.  Papianova práca bola posilnená, keď Forrester požiadal študenta Dudleyho Allena Bucka, aby pracoval na materiáli a pridelil ho na pracovný stôl, zatiaľ čo Forrester sa vrátil k riadeniu projektov na plný úväzok. (Buck by pokračoval vynájdením kryotrónu a pamäte s adresovateľným obsahom v laboratóriu.)

Po približne dvoch rokoch ďalšieho výskumu a vývoja boli schopní demonštrovať jadrovú rovinu, ktorá bola vyrobená z 32 x 32 alebo 1024 jadier, ktoré obsahovali 1024 bitov údajov. Dosiahli tak pôvodne zamýšľanú úložnú veľkosť elektrostatickej elektrónky, čo je cieľ, ktorý samotné elektrónky ešte nedosiahli, pričom v najnovšej konštrukčnej generácii obsahovali iba 512 bitov na elektrónku. Veľmi rýchlo bola vyrobená 1024-slovná základná pamäť, ktorá nahradila elektrostatickú pamäť. Návrh a výroba elektrostatickej pamäte boli stručne zrušené, čím sa ušetrilo veľa peňazí na prerozdelenie do iných oblastí výskumu. Neskôr boli vyrobené dve ďalšie jadrové pamäťové jednotky, čím sa zvýšila celková dostupná veľkosť pamäte.

Konštrukcia využívala približne 5000 vákuových trubíc .

Veľký počet elektrónok používaných vo Whirlwinde viedol k problematickej poruchovosti, pretože porucha jednej elektrónky by mohla spôsobiť zlyhanie systému. Štandardnou pentódou v tom čase bola 6AG7, ale testovanie v roku 1948 ukázalo, že jej očakávaná životnosť v prevádzke bola pre túto aplikáciu príliš krátka. V dôsledku toho bol namiesto toho vybraný 7AD7, ktorý však mal tiež príliš vysokú poruchovosť v prevádzke. Vyšetrovanie príčiny porúch zistilo, že kremík vo volfrámovej zliatine vlákna ohrievača spôsobuje otravu katódy ; usadeniny ortokremičitanu bárnatého tvoriace sa na katóde znižujú alebo znemožňujú jej funkciu emitovať elektróny . Rúrka 7AK7 s vysoko čistým volfrámovým vláknom bola potom špeciálne vyvinutá pre Whirlwind spoločnosťou Sylvania . 

Otrava katódou je najhoršia, keď je trubica prerušená so zapnutým ohrievačom. Komerčné elektrónky boli určené pre rozhlasové (a neskôr aj televízne) aplikácie, kde sa v tomto stave používajú len zriedka. Analógové aplikácie, ako sú tieto, udržujú elektrónku v lineárnej oblasti, zatiaľ čo digitálne aplikácie prepínajú elektrónku medzi odrezaným a úplným vedením, pričom lineárnou oblasťou prechádzajú len krátko. Komerční výrobcovia ďalej očakávali, že ich elektrónky sa budú používať iba niekoľko hodín denne. Na zmiernenie tohto problému boli ohrievače vypnuté na ventiloch, pri ktorých sa neočakávalo, že sa budú dlho spínať. Napätie ohrievača sa zapínalo a vypínalo s pomalým priebehom vlny, aby sa zabránilo tepelnému šoku na vlákna ohrievača.

Ani tieto opatrenia nestačili na dosiahnutie požadovanej spoľahlivosti. Začínajúce poruchy sa proaktívne hľadali testovaním ventilov počas období údržby. Boli podrobené záťažovým testom  nazývaným okrajové testovanie , pretože aplikovali napätie a signály na ventily až po ich konštrukčné rezervy. Tieto testy boli navrhnuté tak, aby priniesli skoré zlyhanie ventilov, ktoré by inak zlyhali počas prevádzky. Boli vykonané automaticky testovacím programom. Štatistika údržby za rok 1950 ukazuje úspešnosť týchto opatrení. Z 1 622 elektrónok 7AD7, ktoré sa používajú, 243 zlyhalo, z ktorých 168 bolo zistených okrajovým testovaním. Z 1 412 elektrónok 7AK7, ktoré sa používajú, 18 zlyhalo, z toho iba 2 zlyhali počas okrajovej kontroly. Výsledkom bolo, že Whirlwind bol oveľa spoľahlivejší ako ktorýkoľvek komerčne dostupný stroj. 

Mnohé ďalšie funkcie skúšobného režimu trubíc Whirlwind neboli štandardné testy a vyžadovali si špeciálne skonštruované vybavenie. Jednou podmienkou, ktorá si vyžadovala špeciálne testovanie, bol chvíľkový skrat na niekoľkých trubiciach spôsobený malými predmetmi, ako sú vlákna vo vnútri trubice. Občasné falošné krátke impulzy sú menším problémom, alebo dokonca úplne nepostrehnuteľným, v analógových obvodoch, ale pravdepodobne budú katastrofálne v digitálnom obvode. Tie sa pri štandardných testoch neprejavili, ale bolo možné ich odhaliť ručne poklepaním na sklenenú obálku. Na automatizáciu tohto testu bol vytvorený obvod spúšťaný tyratrónom. 

Po pripojení k experimentálnemu radaru Microwave Early Warning (MEW) na Hanscom Field pomocou vybavenia Jacka Harringtona a komerčných telefónnych liniek [22] lietadlá sledoval Whirlwind I. [23] Systém Cape Cod následne demonštroval počítačovú protivzdušnú obranu pokrývajúcu juh Nového Anglicka . . [ špecifikujte ] Signály z troch radarov s dlhým dosahom (AN/FPS-3), jedenástich radarov s vypĺňaním medzier a troch radarov na zistenie výšky boli prenášané cez telefónne linky do počítača Whirlwind I v Cambridge, Massachusetts . Návrh Whirlwind II pre väčší a rýchlejší stroj (nikdy nedokončený) bol základom systému protivzdušnej obrany SAGE IBM AN/FSQ-7 Combat Direction Central .

Whirlwind používal približne 5000 vákuových trubíc. Začalo sa aj úsilie o konverziu dizajnu Whirlwind do tranzistorovej formy, ktorú viedol Ken Olsen a ktorá je známa ako TX-0 . TX-0 bola veľmi úspešná a plánovali sa vyrobiť ešte väčšiu verziu známu ako TX-1. Tento projekt bol však príliš ambiciózny a musel byť zmenšený na menšiu verziu známu ako TX-2 . Dokonca aj táto verzia sa ukázala ako problematická a Olsen odišiel v polovici projektu a založil spoločnosť Digital Equipment Corporation (DEC). PDP-1 od DEC bola v podstate kolekcia konceptov TX-0 a TX-2 v menšom balení. 

Po podpore SAGE bol Whirlwind I prenajatý (1 $/rok) od 30. júna 1959 do roku 1974 členom projektu Billom Wolfom.

Ken Olsen a Robert Everett zachránili stroj, ktorý sa stal základom Bostonského počítačového múzea v roku 1979. Hoci veľká časť stroja bola stratená pri vyradení z prevádzky, mnohé z jeho komponentov sú teraz v zbierke Computer History Museum v Mountain View v Kalifornii. a MIT Museum .

Od februára 2009 je základná pamäťová jednotka vystavená v Charles River Museum of Industry & Innovation vo Walthame, Massachusetts . Jedna rovina základnej pamäte, zapožičaná z Computer History Museum , je zobrazená ako súčasť výstav historickej informatiky v Gates Computer Science Building, Stanford .

Budova, v ktorej sídlil Whirlwind, bola donedávna domovom IT oddelenia v celom areáli MIT, Information Services & Technology av rokoch 1997–1998 bola obnovená do pôvodného vonkajšieho dizajnu.

(Spracované podľa verejne dostupných zdrojov inofrmácií)