Torbellino I - Whirlwind I

Torbellino I
Museo de Ciencias, Boston, MA - IMG 3168.JPG
Elementos informáticos de torbellino: memoria central (izquierda) y consola del operador
Familia de productos "Programa Torbellino" / "Proyecto Torbellino"
Fecha de lanzamiento 20 de abril de 1951 (20 de abril de 1951 )

Torbellino I era un Guerra Fría -era ordenador tubo de vacío desarrollado por el MIT Laboratory servomecanismos para la Marina de los EE.UU. . En funcionamiento en 1951, fue una de las primeras computadoras electrónicas digitales que funcionaron en tiempo real para la salida, y la primera que no fue simplemente un reemplazo electrónico de los sistemas mecánicos más antiguos.

Fue una de las primeras computadoras en calcular en paralelo (en lugar de en serie ) y fue la primera en utilizar memoria de núcleo magnético .

Su desarrollo condujo directamente al diseño Whirlwind II utilizado como base para el sistema de defensa aérea SAGE de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos , e indirectamente a casi todas las computadoras y miniordenadores comerciales en la década de 1960, particularmente debido a la "longitud de palabras corta, velocidad, personas".

Fondo

Durante la Segunda Guerra Mundial , la Marina de los EE.UU. 's Laboratorio de Investigación Naval acercó MIT sobre la posibilidad de crear un equipo para conducir un simulador de vuelo para el entrenamiento de bombarderos tripulaciones. Ellos imaginaron un sistema bastante simple en el que la computadora actualizaría continuamente un panel de instrumentos simulado basado en las entradas de control de los pilotos. A diferencia de los sistemas más antiguos, como el Link Trainer , el sistema que imaginaron tendría un modelo aerodinámico considerablemente más realista que podría adaptarse a cualquier tipo de avión. Esta fue una consideración importante en ese momento, cuando se estaban introduciendo en servicio muchos diseños nuevos.

El Laboratorio de Servomecanismos en el edificio 32 del MIT llevó a cabo una breve encuesta que concluyó que tal sistema era posible. La Oficina de Investigación Naval de la Marina decidió financiar el desarrollo en el marco del Proyecto Whirlwind (y sus proyectos hermanos, Project Typhoon y Project Cyclone , con otras instituciones), y el laboratorio colocó a Jay Forrester a cargo del proyecto. Pronto construyeron una gran computadora analógica para la tarea, pero descubrieron que era inexacta e inflexible. Resolver estos problemas de manera general requeriría un sistema mucho más grande, quizás uno tan grande que sería imposible de construir. Judy Clapp fue uno de los primeros miembros técnicos senior de este equipo.

Perry Crawford , otro miembro del equipo del MIT, vio una demostración de ENIAC en 1945. Luego sugirió que una computadora digital sería la mejor solución. Tal máquina permitiría mejorar la precisión de las simulaciones con la adición de más código en el programa de computadora , en lugar de agregar partes a la máquina. Mientras la máquina fuera lo suficientemente rápida, no había límite teórico para la complejidad de la simulación.

Hasta este punto, todas las computadoras construidas se dedicaban a tareas únicas y se ejecutaban en modo por lotes . Se configuraron una serie de entradas de antemano y se introdujeron en la computadora, que resolvería las respuestas y las imprimiría. Esto no era apropiado para el sistema Whirlwind, que necesitaba operar continuamente con una serie de entradas en constante cambio. La velocidad se convirtió en un problema importante: mientras que con otros sistemas simplemente significaba esperar más tiempo para la impresión, con Whirlwind significaba limitar seriamente la cantidad de complejidad que podía incluir la simulación.

Descripción técnica

Diseño y construcción

En 1947, Forrester y su colaborador Robert Everett completaron el diseño de una computadora de programa almacenado de alta velocidad para esta tarea. La mayoría de las computadoras de la época operaban en modo serie de bits , utilizando aritmética de un solo bit y alimentando palabras grandes, a menudo de 48 o 60 bits de tamaño, un bit a la vez. Esto simplemente no fue lo suficientemente rápido para sus propósitos, por lo que Whirlwind incluyó dieciséis unidades matemáticas de este tipo, operando en una palabra completa de 16 bits en cada ciclo en modo paralelo de bits . Haciendo caso omiso de la velocidad de la memoria, Whirlwind ("20.000 operaciones de una sola dirección por segundo" en 1951) era esencialmente dieciséis veces más rápido que otras máquinas. Hoy en día, casi todas las CPU realizan operaciones aritméticas en modo "bit-paralelo".

El tamaño de la palabra se seleccionó después de algunas deliberaciones. La máquina funcionaba pasando una sola dirección con casi todas las instrucciones, reduciendo así el número de accesos a la memoria. Para operaciones con dos operandos, agregando, por ejemplo, se asumió que el operando "otro" era el último cargado. Whirlwind funcionaba como una calculadora de notación polaca inversa a este respecto; excepto que no había una pila de operandos, solo un acumulador . Los diseñadores sintieron que 2048 palabras de memoria sería la cantidad mínima utilizable, requiriendo 11 bits para representar una dirección, y que 16 a 32 instrucciones serían el mínimo para otros cinco bits, por lo que eran 16 bits.

El diseño Whirlwind incorporó una tienda de control impulsada por un reloj maestro. Cada paso del reloj seleccionaba una o más líneas de señal en una matriz de diodos que habilitaba puertas y otros circuitos en la máquina. Un interruptor especial dirigía señales a diferentes partes de la matriz para implementar diferentes instrucciones. A principios de la década de 1950, Whirlwind I "se estrellaba cada 20 minutos en promedio".

La construcción del torbellino comenzó en 1948, un esfuerzo que empleó a 175 personas. incluyendo 70 ingenieros y técnicos. En el tercer trimestre de 1949, la computadora estaba lo suficientemente avanzada como para resolver una ecuación y mostrar su solución en un osciloscopio, e incluso para el primer juego gráfico de computadora animado e interactivo. Finalmente Whirlwind "logró con éxito el cómputo digital de los cursos de interceptación" el 20 de abril de 1951. El presupuesto del proyecto era de aproximadamente $ 1 millón al año, que era mucho más alto que los costos de desarrollo de la mayoría de las otras computadoras de la época. Después de tres años, la Marina había perdido interés. Sin embargo, durante este tiempo, la Fuerza Aérea se había interesado en usar computadoras para ayudar en la tarea de interceptación controlada desde tierra , y el Torbellino era la única máquina adecuada para la tarea. Asumieron el desarrollo en el marco del Proyecto Claude .

Whirlwind pesó 20.000 libras (10 toneladas cortas; 9,1 t).

El subsistema de memoria

El diseño original de la máquina requería 2048 (2K) palabras de 16 bits cada una de almacenamiento de acceso aleatorio. Las únicas dos tecnologías de memoria disponibles en 1949 que podían contener esta cantidad de datos eran las líneas de retardo de mercurio y el almacenamiento electrostático .

Una línea de retardo de mercurio consistía en un tubo largo lleno de mercurio , un transductor mecánico en un extremo y un micrófono en el otro, muy parecido a una unidad de reverberación de resorte que se utilizó más tarde en el procesamiento de audio. Los pulsos se enviaron a la línea de retardo de mercurio en un extremo y tardaron una cierta cantidad de tiempo en llegar al otro extremo. Fueron detectados por el micrófono, amplificados, remodelados en la forma de pulso correcta y enviados de vuelta a la línea de retardo. Por lo tanto, se dijo que la memoria recirculaba.

Las líneas de retardo de mercurio operaban aproximadamente a la velocidad del sonido, por lo que eran muy lentas en términos informáticos, incluso para los estándares de las computadoras de finales de los años cuarenta y cincuenta. La velocidad del sonido en el mercurio también dependía mucho de la temperatura. Dado que una línea de retardo contenía un número definido de bits, la frecuencia del reloj tenía que cambiar con la temperatura del mercurio. Si hubiera muchas líneas de retardo y no todas tuvieran la misma temperatura en todo momento, los datos de la memoria podrían dañarse fácilmente.

Los diseñadores de Whirlwind rápidamente descartaron la línea de retardo como un posible recuerdo: era demasiado lenta para el simulador de vuelo imaginado y demasiado poco confiable para un sistema de producción reproducible, para el cual Whirlwind estaba destinado a ser un prototipo funcional.

La forma alternativa de memoria se conocía como "electrostática". Se trataba de una memoria de tubo de rayos catódicos, similar en muchos aspectos a los primeros tubos de imágenes de televisión o tubos de osciloscopio . Un cañón de electrones envió un haz de electrones al extremo más alejado del tubo, donde impactaron contra una pantalla. El rayo se desviaría para aterrizar en un punto particular de la pantalla. El rayo podría acumular una carga negativa en ese punto o cambiar una carga que ya estaba allí. Midiendo la corriente del haz, se pudo determinar si el punto era originalmente un cero o un uno, y el haz podría almacenar un nuevo valor.

En 1949 existían varias formas de tubos de memoria electrostática. El más conocido hoy en día es el tubo de Williams , desarrollado en Inglaterra, pero había varios otros que habían sido desarrollados de forma independiente por varios laboratorios de investigación. Los ingenieros de Whirlwind consideraron el tubo de Williams, pero determinaron que la naturaleza dinámica del almacenamiento y la necesidad de ciclos de actualización frecuentes eran incompatibles con los objetivos de diseño de Whirlwind I. En cambio, se decidieron por un diseño que se estaba desarrollando en el Laboratorio de Radiación del MIT. . Este era un tubo de electrones de doble cañón. Una pistola produjo un rayo bien enfocado para leer o escribir bits individuales. La otra pistola era una "pistola de inundación" que rociaba toda la pantalla con electrones de baja energía. Como resultado del diseño, este tubo era más una RAM estática que no requería ciclos de actualización, a diferencia del tubo dinámico RAM Williams.

Al final, la elección de este tubo fue lamentable. El tubo Williams estaba considerablemente mejor desarrollado y, a pesar de la necesidad de actualización, podía contener fácilmente 1024 bits por tubo y era bastante confiable cuando se operaba correctamente. El tubo del MIT todavía estaba en desarrollo, y aunque el objetivo era contener 1024 bits por tubo, este objetivo nunca se alcanzó, incluso varios años después de que el plan exigiera tubos funcionales de tamaño completo. Además, las especificaciones exigían un tiempo de acceso de seis microsegundos, pero el tiempo de acceso real era de alrededor de 30 microsegundos. Dado que el tiempo de ciclo básico del procesador Whirlwind I fue determinado por el tiempo de acceso a la memoria, todo el procesador fue más lento de lo diseñado.

Memoria de núcleo magnético

Circuito de la unidad de memoria central de Whirlwind
Pila de núcleos de la unidad de memoria central de Whirlwind
Memoria central del Proyecto Whirlwind , alrededor de 1951

Jay Forrester estaba desesperado por encontrar un reemplazo de memoria adecuado para su computadora. Inicialmente, la computadora solo tenía 32 palabras de almacenamiento, y 27 de estas palabras eran registros de solo lectura hechos de interruptores de palanca . Los cinco registros restantes fueron de almacenamiento flip-flop , y cada uno de los cinco registros se hizo a partir de más de 30 tubos de vacío . Este "almacenamiento de prueba", como se conocía, estaba destinado a permitir la verificación de los elementos de procesamiento mientras la memoria principal no estaba lista. La memoria principal llegó tan tarde que los primeros experimentos de seguimiento de aviones con datos de radar en vivo se realizaron utilizando un programa configurado manualmente en el almacenamiento de prueba. Forrester encontró un anuncio de un nuevo material magnético que estaba produciendo una empresa. Al reconocer que esto tenía el potencial de ser un medio de almacenamiento de datos, Forrester obtuvo un banco de trabajo en la esquina del laboratorio y obtuvo varias muestras del material para experimentar. Luego, durante varios meses, pasó tanto tiempo en el laboratorio como en la oficina gestionando todo el proyecto.

Al final de esos meses, había inventado los conceptos básicos de la memoria de núcleo magnético y demostró que era probable que fuera factible. Su demostración consistió en un pequeño plano central de 32 núcleos, cada uno de tres octavos de pulgada de diámetro. Habiendo demostrado que el concepto era práctico, solo necesitaba reducirse a un diseño viable. En el otoño de 1949, Forrester reclutó al estudiante de posgrado William N. Papian para probar docenas de núcleos individuales y determinar aquellos con las mejores propiedades. El trabajo de Papian se vio reforzado cuando Forrester le pidió al estudiante Dudley Allen Buck que trabajara en el material y lo asignó al banco de trabajo, mientras que Forrester volvió a la gestión de proyectos a tiempo completo. (Buck inventaría el criotrón y la memoria direccionable por contenido en el laboratorio).

Después de aproximadamente dos años de más investigación y desarrollo, pudieron demostrar un plano de núcleo que estaba hecho de 32 por 32, o 1024 núcleos, que contenía 1024 bits de datos. Por lo tanto, habían alcanzado el tamaño de almacenamiento previsto originalmente de un tubo electrostático, un objetivo que aún no habían alcanzado los tubos en sí, que solo contenían 512 bits por tubo en la última generación de diseño. Muy rápidamente, se fabricó una memoria central de 1024 palabras, reemplazando la memoria electrostática. El diseño y la producción de la memoria electrostática se canceló sumariamente, lo que permitió ahorrar una gran cantidad de dinero para reasignarlo a otras áreas de investigación. Posteriormente se fabricaron dos unidades de memoria central adicionales, aumentando el tamaño total de memoria disponible.

Tubos de vacio

El diseño utilizó aproximadamente 5,000 tubos de vacío .

La gran cantidad de tubos utilizados en Whirlwind resultó en una tasa de fallas problemática ya que una falla de un solo tubo podría causar una falla del sistema. El pentodo estándar en ese momento era el 6AG7, pero las pruebas en 1948 determinaron que su vida útil esperada en servicio era demasiado corta para esta aplicación. En consecuencia, se eligió el 7AD7 en su lugar, pero esto también tenía una tasa de fallas en el servicio demasiado alta. Una investigación sobre la causa de las fallas encontró que el silicio en la aleación de tungsteno del filamento del calentador estaba causando intoxicación por cátodos ; los depósitos de ortosilicato de bario que se forman en el cátodo reducen o impiden su función de emisión de electrones . El tubo 7AK7 con un filamento de tungsteno de alta pureza fue desarrollado especialmente para Whirlwind por Sylvania .

La intoxicación por cátodos es peor cuando el tubo se corta con el calentador encendido. Los tubos comerciales se diseñaron para aplicaciones de radio (y más tarde, televisión) donde rara vez se ejecutan en este estado. Las aplicaciones analógicas como estas mantienen el tubo en la región lineal, mientras que las aplicaciones digitales cambian el tubo entre el corte y la conducción completa, pasando solo brevemente a través de la región lineal. Además, los fabricantes comerciales esperaban que sus tubos solo estuvieran en uso durante unas pocas horas al día. Para mejorar este problema, los calentadores se apagaron en válvulas que no se esperaba que cambiaran durante períodos prolongados. El voltaje del calentador se encendió y apagó con una forma de onda de rampa lenta para evitar un choque térmico en los filamentos del calentador.

Incluso estas medidas no fueron suficientes para lograr la confiabilidad requerida. Las fallas incipientes se buscaron proactivamente probando las válvulas durante los períodos de mantenimiento. Fueron sujetos a pruebas de esfuerzo llamadas pruebas marginales porque aplicaron voltajes y señales a las válvulas hasta sus márgenes de diseño. Estas pruebas se diseñaron para provocar una falla temprana de las válvulas que de otro modo habrían fallado mientras estaban en servicio. Fueron realizados automáticamente por un programa de prueba. Las estadísticas de mantenimiento de 1950 muestran el éxito de estas medidas. De los 1.622 tubos 7AD7 en uso, 243 fallaron, de los cuales 168 se encontraron mediante pruebas marginales. De los 1.412 tubos 7AK7 en uso, 18 fallaron, de los cuales solo 2 fallaron durante la verificación marginal. Como resultado, Whirlwind era mucho más confiable que cualquier máquina disponible comercialmente.

Muchas otras características del régimen de prueba de tubos Whirlwind no eran pruebas estándar y requerían equipo especialmente construido. Una condición que requirió pruebas especiales fue un cortocircuito momentáneo en algunos tubos causado por objetos pequeños como pelusa dentro del tubo. Los pulsos cortos espurios ocasionales son un problema menor, o incluso completamente imperceptibles, en circuitos analógicos, pero es probable que sean desastrosos en un circuito digital. Estos no aparecieron en las pruebas estándar, pero se pudieron descubrir manualmente tocando el sobre de vidrio. Se construyó un circuito activado por tiratrón para automatizar esta prueba.

Redes de defensa aérea

Después de la conexión al radar experimental de alerta temprana de microondas (MEW) en Hanscom Field utilizando el equipo de Jack Harrington y las líneas telefónicas comerciales, Whirlwind I.El sistema Cape Cod demostró posteriormente una defensa aérea computarizada que cubría el sur de Nueva Inglaterra . Las señales de tres radares de largo alcance (AN / FPS-3), once radares de relleno de huecos y tres radares de localización de altura se transmitieron a través de líneas telefónicas a la computadora Whirlwind I en Cambridge, Massachusetts . El diseño de Whirlwind II para una máquina más grande y más rápida (nunca completado) fue la base del sistema de defensa aérea SAGE IBM AN / FSQ-7 Combat Direction Central .

Legado

El Whirlwind usó aproximadamente 5,000 tubos de vacío. También se inició un esfuerzo para convertir el diseño Whirlwind a una forma transistorizada, dirigido por Ken Olsen y conocido como TX-0 . TX-0 tuvo mucho éxito y se hicieron planes para hacer una versión aún más grande conocida como TX-1. Sin embargo, este proyecto era demasiado ambicioso y tuvo que reducirse a una versión más pequeña conocida como TX-2 . Incluso esta versión resultó problemática, y Olsen se fue a mitad del proyecto para iniciar Digital Equipment Corporation (DEC). El PDP-1 de DEC era esencialmente una colección de conceptos TX-0 y TX-2 en un paquete más pequeño.

Después de apoyar a SAGE, Whirlwind I fue alquilado ($ 1 / año) desde el 30 de junio de 1959 hasta 1974 por el miembro del proyecto, Bill Wolf.

Ken Olsen y Robert Everett salvaron la máquina, que se convirtió en la base del Boston Computer Museum en 1979. Ahora está en la colección del Computer History Museum en Mountain View, California .

En febrero de 2009, se exhibe una unidad de memoria central en el Museo de Industria e Innovación de Charles River en Waltham, Massachusetts . Un avión, prestado por el Museo de Historia de la Computación , se muestra como parte de las exhibiciones históricas de Ciencias de la Computación en el Gates Computer Science Building, Stanford .

El edificio que albergaba a Whirlwind era hasta hace poco el hogar del departamento de tecnología de la información del campus del MIT, servicios y tecnología de la información y, en 1997–1998, se restauró a su diseño exterior original.

Ver también

Referencias

enlaces externos

Registros
Precedido por
-
La computadora más poderosa del mundo
1951-1954
Sucedido por
IBM NORC