Virvelvind I
 Virvelvinddatorelement: kärnminne (vänster) och operatörskonsol
| |
| Produktfamilj | "Whirlwind Program"/"Whirlwind Project" |
|---|---|
| Utgivningsdatum | 20 april 1951 |
Whirlwind I var en vakuumrördator från kalla krigets tid utvecklad av MIT Servomechanisms Laboratory för den amerikanska flottan . Den var i drift 1951 och var bland de första digitala elektroniska datorerna som fungerade i realtid för utmatning, och den första som inte bara var en elektronisk ersättning av äldre mekaniska system.
Det var en av de första datorerna som beräknade parallellt (snarare än seriellt ), och var den första som använde magnetiskt kärnminne .
Dess utveckling ledde direkt till Whirlwind II-designen som användes som grund för det amerikanska luftvapnets SAGE luftförsvarssystem, och indirekt till nästan alla affärsdatorer och minidatorer på 1960-talet, särskilt på grund av mantrat "kort ordlängd, hastighet, människor ."
Bakgrund
Under andra världskriget kontaktade US Navy 's Naval Research Lab MIT om möjligheten att skapa en dator för att köra en flygsimulator för att träna bombplansbesättningar . De föreställde sig ett ganska enkelt system där datorn kontinuerligt skulle uppdatera en simulerad instrumentpanel baserat på kontrollingångar från piloterna. Till skillnad från äldre system som Link Trainer skulle systemet de föreställde sig ha en betydligt mer realistisk aerodynamikmodell som skulle kunna anpassas till vilken typ av plan som helst. Detta var ett viktigt övervägande på den tiden, när många nya mönster togs i bruk.
Servomechanisms Lab i MIT-byggnad 32 genomförde en kort undersökning som drog slutsatsen att ett sådant system var möjligt. Navy's Office of Naval Research beslutade att finansiera utveckling under Project Whirlwind (och dess systerprojekt, Project Typhoon och Project Cyclone , med andra institutioner), och labbet placerade Jay Forrester som ansvarig för projektet. De byggde snart en stor analog dator för uppgiften, men fann att den var felaktig och oflexibel. Att lösa dessa problem på ett generellt sätt skulle kräva ett mycket större system, kanske ett så stort att det är omöjligt att konstruera. Judy Clapp var en tidig senior teknisk medlem i detta team.
Perry Crawford , en annan medlem av MIT-teamet, såg en demonstration av ENIAC 1945. Han föreslog då att en digital dator skulle vara den bästa lösningen. En sådan maskin skulle göra det möjligt att förbättra simuleringarnas noggrannhet genom att lägga till mer kod i datorprogrammet, i motsats till att lägga till delar till maskinen. Så länge maskinen var tillräckligt snabb fanns det ingen teoretisk gräns för simuleringens komplexitet.
Fram till denna tidpunkt var alla datorer konstruerade dedikerade till enskilda uppgifter och kördes i batch-läge . En serie ingångar sattes upp i förväg och matades in i datorn, som skulle räkna ut svaren och skriva ut dem. Detta var inte lämpligt för Whirlwind-systemet, som behövde arbeta kontinuerligt på en ständigt föränderlig serie av ingångar. Hastighet blev ett stort problem: medan det med andra system helt enkelt innebar att man väntade längre på utskriften, med Whirlwind innebar det att man allvarligt begränsade mängden komplexitet som simuleringen kunde innehålla.
Teknisk beskrivning
Design och konstruktion
År 1947 slutförde Forrester och samarbetspartnern Robert Everett designen av en höghastighetsdator med lagrat program för denna uppgift. De flesta datorer av eran fungerade i bit-seriellt läge , med enkelbitaritmetik och matade in stora ord, ofta 48 eller 60 bitar i storlek, en bit i taget. Detta var helt enkelt inte tillräckligt snabbt för deras syften, så Whirlwind inkluderade sexton sådana matematiska enheter, som arbetade på ett komplett 16-bitars ord varje cykel i bitparallellt läge. Om man ignorerar minneshastigheten var Whirlwind ("20 000 enadressoperationer per sekund" 1951) i huvudsak sexton gånger så snabb som andra maskiner. Idag utför nästan alla CPU: er aritmetik i "bitparallell"-läge.
Ordstorleken valdes efter lite övervägande. Maskinen fungerade genom att skicka in en enda adress med nästan varje instruktion, vilket minskade antalet minnesåtkomster. För operationer med två operander, till exempel, antogs den "andra" operanden vara den sista som laddades. Whirlwind fungerade ungefär som en omvänd polsk notationsräknare i detta avseende; förutom att det inte fanns någon operandstack, bara en ackumulator . Konstruktörerna ansåg att 2048 minnesord skulle vara den minsta användbara mängden, som kräver 11 bitar för att representera en adress, och att 16 till 32 instruktioner skulle vara det minsta för ytterligare fem bitar - och så var det 16 bitar.
Whirlwind-designen inkluderade ett kontrolllager som drivs av en masterklocka. Varje steg i klockan valde en eller flera signallinjer i en diodmatris som aktiverade grindar och andra kretsar på maskinen. En speciell omkopplare riktade signaler till olika delar av matrisen för att implementera olika instruktioner. [ citat behövs ] I början av 1950-talet skulle Whirlwind I "krascha var 20:e minut i genomsnitt."
Whirlwind-konstruktionen startade 1948, en insats som sysselsatte 175 personer, inklusive 70 ingenjörer och tekniker. Under det tredje kvartalet 1949 var datorn tillräckligt avancerad för att lösa en ekvation och visa sin lösning på ett oscilloskop, och till och med för det första animerade och interaktiva datorgrafiska spelet. Slutligen lyckades Whirlwind "med framgång genomföra digital beräkning av avlyssningskurser" den 20 april 1951. Projektets budget var cirka 1 miljon dollar per år, vilket var mycket högre än utvecklingskostnaderna för de flesta andra datorer i eran. Efter tre år hade marinen tappat intresset. Emellertid hade flygvapnet under denna tid blivit intresserad av att använda datorer för att hjälpa till med markkontrollerad avlyssning , och Virvelvinden var den enda maskinen som var lämplig för uppgiften. De tog upp utveckling under Project Claude .
Whirlwind vägde 20 000 pund (10 korta ton; 9,1 t).
Minnesdelsystemet
Den ursprungliga maskindesignen krävde 2048 (2K) ord med 16 bitar vardera med slumpmässig åtkomst. De enda två tillgängliga minnesteknikerna 1949 som kunde hålla så mycket data var kvicksilverfördröjningslinjer och elektrostatisk lagring .
En kvicksilverfördröjningslinje bestod av ett långt rör fyllt med kvicksilver , en mekanisk givare i ena änden och en mikrofon i den andra änden, ungefär som en fjäderreverbenhet som senare användes vid ljudbehandling. Pulser skickades in i kvicksilverfördröjningslinjen i ena änden och det tog en viss tid att nå den andra änden. De upptäcktes av mikrofonen, förstärktes, omformades till rätt pulsform och skickades tillbaka till fördröjningslinjen. Således sades minnet återcirkulera.
Mercury-fördröjningslinjerna fungerade med ungefär ljudets hastighet, så de var mycket långsamma i datortermer, även enligt standarderna för datorerna i slutet av 1940- och 1950-talet. Ljudets hastighet i kvicksilver var också mycket beroende av temperaturen. Eftersom en fördröjningslinje innehöll ett definierat antal bitar, måste klockans frekvens ändras med kvicksilvrets temperatur. Om det fanns många fördröjningslinjer och de inte alla hade samma temperatur hela tiden, kan minnesdata lätt skadas.
Whirlwind-designerna kasserade snabbt fördröjningslinjen som ett möjligt minne - det var både för långsamt för den tänkta flygsimulatorn och för opålitligt för ett reproducerbart produktionssystem, för vilket Whirlwind var tänkt att vara en funktionell prototyp.
Den alternativa formen av minne var känd som "elektrostatisk". Detta var ett katodstrålerörsminne, som i många avseenden liknar ett tidigt TV- bildrör eller oscilloskoprör . En elektronpistol skickade en stråle av elektroner till den bortre änden av röret, där de träffade en skärm. Strålen skulle avböjas för att landa på en viss plats på skärmen. Strålen kan sedan bygga upp en negativ laddning vid den punkten, eller ändra en laddning som redan fanns där. Genom att mäta strålströmmen kunde det fastställas om punkten ursprungligen var en nolla eller en etta, och ett nytt värde kunde lagras av strålen.
Det fanns flera former av elektrostatiska minnesrör 1949. Det mest kända idag är Williams-röret, utvecklat i England, men det fanns ett antal andra som hade utvecklats oberoende av olika forskningslaboratorier. Whirlwind-ingenjörerna övervägde Williams-röret, men fastställde att lagringens dynamiska karaktär och behovet av frekventa uppdateringscykler var oförenliga med designmålen för Whirlwind I. Istället bestämde de sig för en design som höll på att utvecklas vid MIT Radiation Laboratory . Detta var ett elektronrör med två pistoler. En pistol producerade en skarpt fokuserad stråle för att läsa eller skriva enskilda bitar. Den andra pistolen var en "flodpistol" som sprutade hela skärmen med lågenergielektroner. Som ett resultat av designen var detta rör mer av ett statiskt RAM-minne som inte krävde uppdateringscykler, till skillnad från det dynamiska RAM Williams-röret.
Till slut var valet av detta rör olyckligt. Williams-röret var avsevärt bättre utvecklat och kunde trots behovet av uppdatering lätt hålla 1024 bitar per rör, och var ganska pålitligt när det användes korrekt. MIT-röret var fortfarande under utveckling, och även om målet var att hålla 1024 bitar per rör, nåddes detta mål aldrig, inte ens flera år efter att planen hade krävt funktionella rör i full storlek. Dessutom hade specifikationerna krävt en åtkomsttid på sex mikrosekunder, men den faktiska åtkomsttiden var cirka 30 mikrosekunder. Eftersom den grundläggande cykeltiden för Whirlwind I-processorn bestämdes av minnesåtkomsttiden, var hela processorn långsammare än designad.
Magnetisk kärnminne
Jay Forrester var desperat efter att hitta en lämplig minnesersättning för sin dator. Till en början hade datorn bara 32 ords lagringsutrymme, och 27 av dessa ord var skrivskyddade register gjorda av vippomkopplare . De återstående fem registren var flip-flop- lagring, där vart och ett av de fem registren tillverkades av mer än 30 vakuumrör . Denna "testlagring", som den var känd, var avsedd att tillåta utcheckning av bearbetningselementen medan huvudminnet inte var klart. Huvudminnet var så sent att de första experimenten med att spåra flygplan med radardata i realtid gjordes med hjälp av ett program manuellt inställt i testlagring. Forrester kom över en annons för ett nytt magnetiskt material som produceras av ett företag. Eftersom Forrester insåg att detta hade potential att bli ett datalagringsmedium, skaffade Forrester en arbetsbänk i hörnet av labbet och fick flera prover av materialet att experimentera med. Sedan tillbringade han i flera månader lika mycket tid i labbet som han gjorde på kontoret och skötte hela projektet.
I slutet av dessa månader hade han uppfunnit grunderna för magnetisk kärnminne och visat att det sannolikt skulle vara genomförbart. Hans demonstration bestod av ett litet kärnplan med 32 kärnor, var och en tre åttondels tum i diameter. Efter att ha visat att konceptet var praktiskt behövde det bara reduceras till en fungerande design. Hösten 1949 värvade Forrester doktoranden William N. Papian för att testa dussintals individuella kärnor för att avgöra vilka som har de bästa egenskaperna. Papians arbete stärktes när Forrester bad studenten Dudley Allen Buck att arbeta med materialet och anvisade honom till arbetsbänken, medan Forrester gick tillbaka till projektledning på heltid. (Buck skulle fortsätta med att uppfinna kryotronen och innehållsadresserbart minne i labbet.)
Efter ungefär två år av ytterligare forskning och utveckling kunde de demonstrera ett kärnplan som var gjord av 32 gånger 32, eller 1024 kärnor, som innehöll 1024 bitar av data. Därmed hade de nått den ursprungligen avsedda lagringsstorleken för ett elektrostatiskt rör, ett mål som ännu inte hade uppnåtts av rören själva, endast höll 512 bitar per rör i den senaste designgenerationen. Mycket snabbt tillverkades ett 1024-ords kärnminne, som ersatte det elektrostatiska minnet. Den elektrostatiska minnesdesignen och produktionen avbröts summariskt, vilket sparade en hel del pengar för att omfördelas till andra forskningsområden. Två ytterligare kärnminnesenheter tillverkades senare, vilket ökade den totala tillgängliga minnesstorleken.
Vakuumrör
Konstruktionen använde cirka 5 000 vakuumrör .
Det stora antalet rör som används i Whirlwind resulterade i en problematisk felfrekvens eftersom ett enda rörfel kan orsaka ett systemfel. Standardpentoden vid den tiden var 6AG7, men tester 1948 fastställde att dess förväntade livslängd i drift var för kort för denna applikation . Följaktligen valdes istället 7AD7, men denna hade också för hög felfrekvens i drift. En undersökning av orsaken till felen visade att kisel i volframlegeringen i värmetråden orsakade katodförgiftning ; avlagringar av bariumortosilikat som bildas på katoden minskar eller förhindrar dess funktion att avge elektroner . 7AK7 - röret med ett högrent volframtråd utvecklades sedan speciellt för Whirlwind av Sylvania .
Katodförgiftning är som värst när röret körs i avstängt läge med värmaren på. Kommersiella rör var avsedda för radio (och senare, TV) tillämpningar där de sällan körs i detta tillstånd. Analoga applikationer som dessa håller röret i det linjära området, medan digitala applikationer växlar röret mellan cut-off och full ledning och passerar bara kort genom det linjära området. Vidare förväntade kommersiella tillverkare att deras rör bara skulle användas några timmar per dag. För att lindra detta problem stängdes värmarna av på ventiler som inte förväntades byta under långa perioder. Värmarens spänning slogs på och av med en långsam rampvågform för att undvika termisk chock på värmetrådarna.
Inte ens dessa åtgärder var tillräckliga för att uppnå erforderlig tillförlitlighet. Begynnande fel söktes proaktivt genom att testa ventilerna under underhållsperioder. De utsattes för stresstester som kallas marginaltestning eftersom de applicerade spänningar och signaler på ventilerna ända upp till deras designmarginaler. Dessa tester var utformade för att orsaka tidigt fel på ventiler som annars skulle ha gått sönder under drift. De utfördes automatiskt av ett testprogram. Underhållsstatistiken för 1950 visar framgången med dessa åtgärder. Av de 1 622 7AD7-rör som användes, misslyckades 243, varav 168 hittades vid marginell testning. Av de 1 412 7AK7-rör som användes misslyckades 18, varav endast 2 under marginalkontroll. Som ett resultat var Whirlwind mycket mer pålitlig än någon kommersiellt tillgänglig maskin.
Många andra funktioner i Whirlwind-rörtestningsregimen var inte standardtester och krävde specialbyggd utrustning. Ett tillstånd som krävde speciella tester var tillfällig kortslutning på några rör orsakade av små föremål som ludd inuti röret. Enstaka falska korta pulser är ett mindre problem, eller till och med helt omärkligt, i analoga kretsar, men kommer sannolikt att vara katastrofala i en digital krets. Dessa dök inte upp på standardtester utan kunde upptäckas manuellt genom att knacka på glaskuvertet. En tyratronutlöst krets byggdes för att automatisera detta test.
Luftvärnsnätverk
Efter anslutning till den experimentella Microwave Early Warning (MEW) radarn på Hanscom Field med Jack Harringtons utrustning och kommersiella telefonlinjer, spårades flygplan av Whirlwind I. Cape Cod System demonstrerade därefter datoriserat luftförsvar som täckte södra New England . [ specificera ] Signaler från tre radar med lång räckvidd (AN/FPS-3), elva radar som fyller mellanrum och tre radar för att hitta höjden sändes över telefonlinjer till Whirlwind I-datorn i Cambridge, Massachusetts . Whirlwind II-designen för en större och snabbare maskin (aldrig färdigställd) var grunden för SAGE -luftvärnssystemet IBM AN/FSQ-7 Combat Direction Central .
Arv
Virvelvinden använde cirka 5 000 vakuumrör. Ett försök påbörjades också för att konvertera Whirlwind-designen till en transistoriserad form, ledd av Ken Olsen och känd som TX-0 . TX-0 var mycket framgångsrik och planer gjordes för att göra en ännu större version känd som TX-1. Detta projekt var dock alldeles för ambitiöst och måste skalas tillbaka till en mindre version känd som TX-2 . Även denna version visade sig vara besvärlig, och Olsen lämnade mitt i projektet för att starta Digital Equipment Corporation ( DEC). DEC:s PDP-1 var i huvudsak en samling TX-0- och TX-2-koncept i ett mindre paket.
Efter att ha stöttat SAGE, hyrdes Whirlwind I ($1/år) från 30 juni 1959 till 1974 av projektmedlemmen Bill Wolf.
Ken Olsen och Robert Everett räddade maskinen, som blev grunden för Boston Computer Museum 1979. Den finns nu i samlingen av Computer History Museum i Mountain View, Kalifornien .
Från och med februari 2009 visas en kärnminnesenhet på Charles River Museum of Industry & Innovation i Waltham, Massachusetts . Ett plan [ förtydligande behövs ] , lånat från Computer History Museum , visas som en del av Historic Computer Science-skärmarna i Gates Computer Science Building, Stanford .
Byggnaden som inhyste Whirlwind var tills nyligen hem för MIT:s campus-omfattande IT-avdelning, Information Services & Technology och 1997–1998 återställdes den till sin ursprungliga exteriördesign.
Se även
- Lista över vakuumrördatorer
- Historia om datorhårdvara
- Laning och Zierler system
- Roger Sisson
- Perry O. Crawford Jr.
- Lightgun (Whirlwind) ljuspenna designad för Whirlwind
externa länkar
| Myndighetskontroll : Nationell |
|---|
