| Vichřice | |
|---|---|
| Typ | počítač protivzdušné obrany |
| Mediální soubory na Wikimedia Commons | |
Whirlwind I je počítač 1. generace navržený a vyrobený v Massachusetts Institute of Technology Servo Laboratory .
| Možnosti | S elektrostatickou pamětí
(od března 1951) |
s feritovou pamětí
(od října 1953) |
|---|---|---|
| Bitová hloubka dat | 16 číslic | |
| Bitová hloubka příkazu | 16 číslic | |
| Číselná reprezentace | binární znaménko s pevnou čárkou | |
| hlavní paměť | ||
| Velikost | 256 slov | 2048 slov |
| Doba přístupu | 25 us | 9 µs |
| Magnetické bubny | ||
| Kapacita | Jeden buben na 24 576 slov | Dva kotouče s 24576 slovy |
| Doba přístupu | 16 ms | |
| Doba provedení příkazu | ||
| Bezpodmínečný skok | 30 µs | 16 µs |
| Sčítání/odčítání | 49 us | 24 us |
| Násobení | 61 us | 40 us |
| Divize | 100 us | 83 us |
| I/O zařízení | ||
| Páskové mechaniky | 4 zařízení se 75 000 slovy | 5 zařízení se 125 000 slovy |
| Grafický displej | Velikost obrazovky 16 palců
Rozlišení 2048 x 2048 pixelů Výstupní rychlost 6250 bodů/s, 550 číslic/s | |
| Těsnění | Teletype Flexowriter (8 znaků/s) | 3 flexopisovače (1 přímý, 2 páskové)
(8 znaků/s) |
| Vstup na pásku | Čtečka ERA, 140 řádků/sec | Fotoelektrická čtečka Ferranti, 200 řádků/s |
| Výstup na perforovanou pásku | Perforátor Flexowriter (10 řádků/s) | |
| Stopa | 307 čtverečních metrů (3300 čtverečních stop) | |
| Spotřeba elektrické energie | 60 kW | |
| Počet součástí | 6800 elektronek
22000 polovodičových diod |
8616 elektronky
17823 polovodičových diod |
V roce 1944 vyvíjelo US Navy Special Devices Center (SDC) univerzální letecký simulátor, který by nebyl konstrukčně vázán na vlastnosti konkrétního typu letadla, ale umožňoval by jej před výcvikem vyladit na jakýkoli známý model letadla. V rámci tohoto projektu pověřila SDC Laboratoř servomechanismů MIT vyvinutím zařízení analyzátoru stability letounu (ASCA), které by bylo zodpovědné za simulaci chování letadla v reakci na akce cvičícího v kokpitu simulátoru. Vedoucí Laboratoře servomechanismů, profesor Gordon Brown, pověřil touto prací skupinu vedenou Jayem R. Forresterem, jedním z jeho asistentů. Forrester zase přivedl Roberta Everetta jako technického vedoucího projektu.
Zpočátku zamýšlel J. Forrester problém vyřešit pomocí elektromechanického analogového zařízení, které by vypočítalo trajektorii letadla v reálném čase v reakci na akce pilota. Avšak asi rok po zahájení projektu si Forrester uvědomil, že analogové zařízení je pro daný úkol příliš složité a neflexibilní. Z velké části pod vlivem rozmachu digitálních počítačů, který tehdy nabíral na síle, se koncem roku 1945 rozhodl, že vytvářené zařízení by mělo být založeno na digitálním počítači, poté začala jeho skupina nejprve studovat základy digitální technologie a pak navrhnout budoucí počítač. Vzhledem k tomu, že úloha vyžadovala zpracování velkého množství vstupních parametrů a velké množství výpočtů v reálném čase, Forrester od samého počátku zvedl laťku budoucího počítače velmi vysoko, a to jak z hlediska výkonu, tak i jeho spolehlivosti. Vzhledem k tomu, že v době zahájení návrhu byl jediným fungujícím elektronickým počítačem nově zprovozněný ENIAC , vývojový tým musel vyvinout všechna řešení od nuly. Forrester a Everett se brzy rozhodli, že počítač bude postaven ve dvou fázích – nejprve bude vyroben menší počítač (který byl pojmenován Wilrlwind I) a poté, po otestování všech řešení, bude postaven výkonnější počítač. Vývoj probíhal velmi důkladně a do září 1947 byl připraven detailní návrh počítače (téměř na úroveň schémat zapojení). Pro testování obvodových řešení pro aritmetické jednotky byl v roce 1947 sestaven 5bitový binární multiplikátor, který poté prošel dlouhodobým cyklickým testováním, aby se ověřila jeho spolehlivost. Počátkem roku 1948 byla uzavřena subdodávka mezi MIT a firmou Sylvania, která byla pověřena výrobou elektronických součástek. Forrester v roce 1947 naplánoval následující pořadí stavby počítače: nejprve je implementována a otestována aritmetická jednotka, poté řídicí jednotka , poté testovací paměť ( přepínací ROM ), základní vstupní/výstupní zařízení (dálnopis, čtečka děrné pásky a děrovaná páskové výstupní zařízení) a až na úplný konec měl nainstalovat RAM . Dokončení prací na tomto plánu bylo naplánováno na začátek roku 1949.
Bylo rozhodnuto provést počítačové operace bit-paralelně, což poskytovalo maximální výkon za cenu větší složitosti. Pro optimalizaci složitosti bylo rozhodnuto vytvořit počítač binárně s co nejmenší bitovou hloubkou. Na základě minimální velikosti instrukce bylo zvoleno 16 bitů: 5 bitů bylo přiděleno pro operační kód, což umožnilo implementovat 32 instrukcí, a 11 bitů pro adresu operandu. Adresovatelná paměťová oblast tedy byla 2048 slov. Skutečnost, že přesnost 16bitových čísel byla malá, vývojářům nevadila, vycházeli z toho, že pokud bylo nutné dosáhnout vyšší přesnosti, bylo možné ji poskytnout programově s několika po sobě jdoucími operacemi . Povelový systém byl unicast, při provádění povelů se prováděly operace mezi registrem akumulátoru a paměťovou buňkou, výsledek operace byl také umístěn do akumulátoru. Operace musely být prováděny s pevným bodem , přičemž počítač poskytoval úplnou sadu 4 aritmetických operací a také logickou operaci „AND“ (říkalo se tomu „extrakce“ - extrakce). Jako elementární základ počítače byly na základě úkolu zajistit maximální výkon zvoleny elektronky . Vývojáři vzali problém zajištění spolehlivosti počítače velmi vážně na základě velmi velkého počtu v něm instalovaných rádiových trubic, které mají omezenou životnost. Aby byla zajištěna maximální spolehlivost, vyvinuli speciální systém pro kontrolu limitů výkonu. Za tímto účelem zavedli do počítače tzv. systém. hraniční kontrola založená na blokové regulaci pracovních bodů svítidel. Tento systém umožnil tím, že se pracovní body výbojek dostaly za nominální hodnoty, ale nepřivedly je na úroveň blokové poruchy, identifikovat výbojky, které byly na pokraji poruchy. Zároveň byli detekováni v okamžiku, kdy měli ještě určitou rezervu pracovního zdroje, což umožnilo po provedení tohoto postupu počítat s několikahodinovým bezproblémovým provozem počítače. Stejně jako mnoho jiných počítačů první generace pracovaly všechny bloky počítače Whirlwind v pevně synchronním režimu a přijímaly hodinové impulsy z centrálního generátoru hodin . V tomto případě ALU používal frekvenci 2 MHz a zbytek zařízení byl taktován polovičními pulsy 1 MHz.
Protože Forrester kladl vysoké požadavky na budoucí počítač a přitahoval do projektu značné lidské zdroje, projekt Whirlwind se ukázal jako velmi nákladný. Náklady na jeho implementaci byly přibližně 150 000 $ měsíčně, tedy 1,8 milionu $ ročně. Americká vláda zároveň v souvislosti s koncem války prudce omezila financování vojenských programů. Kromě toho se výrazně snížila potřeba výcviku vojenských pilotů, což vedlo k omezení projektu univerzálního leteckého simulátoru. V roce 1948 byl projekt financován Úřadem pro námořní výzkum (ONR), který obecně podporoval projekt vytvoření počítače, ale trval na jeho výrazném zjednodušení a snížení nákladů. ONR trval na použití počítače pro vědecké výpočty az tohoto pohledu bylo možné požadavky na výkon a spolehlivost snížit. Pro srovnání byl uveden projekt EDVAC , který byl vyvinut na Moore School of the US Navy, rovněž financovaný z rozpočtu ONR, ale který byl mnohem levnější. V souvislosti s tím Forrester společně s vedením MIT aktivně hledal další možné zákazníky a našel je v osobě amerického letectva , které znepokojoval problém budování jednotného systému protivzdušné obrany USA. Počítač Whirlwind měl v rámci řešení tohoto problému zkombinovat data přijatá z mnoha radarů a vytvořit jeden taktický obrázek v hranicích oblasti pokryté systémem. Tento úkol byl nejprve řešen v rámci projektu Charles a poté dostal kódové označení projektu Claude. V důsledku toho byl do roku 1950 problém financování prakticky vyřešen. Převážná část peněz pocházela z letectva, ale na financování se podílelo i ONR a očekávalo se, že dostane nějaký počítačový čas na řešení vědeckých problémů.
Koncem roku 1947 byl sestaven a otestován 5bitový násobič, na kterém byla úspěšně testována obvodová řešení budoucího plnohodnotného aritmetického zařízení a testován systém hraničního testování. Při testech bylo možné dosáhnout nepřetržitého bezproblémového provozu násobiče po dobu 45 dnů, což vývojáři považovali za velmi vysoký výkon. Na jaře 1948 začala Sylvania dodávat bloky pro budoucí počítač a tým Whirlwind začal počítač sestavovat. Do konce roku byly nainstalovány všechny skříně, namontovány zdroje, instalovány ALU jednotky. Na jaře 1949 bylo namontováno ovládací zařízení. V létě 1949 byly provedeny zkoušky ALU, které prokázaly jeho plnou shodu s konstrukčními ukazateli, včetně časových intervalů a spolehlivosti. Na podzim byla k počítači připojena periferní zařízení. Do plné připravenosti chybělo počítači pouze paměťové zařízení, jehož vývoj se výrazně zpozdil. Proto byla pro testování použita testovací paměť, která se skládala z 32 „registrů“, jejichž hodnoty byly nastaveny přepínači (ve skutečnosti ROM), a také 5 paměťových registrů vytvořených na klopných obvodech. Pomocí přepínačů bylo možné nahradit kterýkoli z ROM registrů dynamickým registrem na klopných obvodech. S použitím této paměti na stroji na konci roku 1949 byly vyřešeny první testovací problémy. Později, po instalaci standardní RAM, byla testovací paměť použita pro bootování počítače z externího média.
Výroba paměťového zařízení pro počítač se oproti jiným funkčním celkům výrazně zpozdila. V době vývoje vývojových diagramů v roce 1947 ještě vývojáři neměli jasno v tom, jakou technologii použít k sestavení paměti. Pak se například nějakou dobu uvažovalo o myšlence paměti založené na článcích s plynovým výbojem, ale testování ukázalo její marnost. Poté bylo rozhodnuto vybudovat paměť založenou na úložných katodových trubicích . Počínaje rokem 1948 byla týmu přidělena skupina na vývoj paměťových katodových trubic, kterou vedl Steven Dodd (Steven Dodd). Tato skupina vyvinula nový typ zásobní trubice, která se svým provedením výrazně lišila od tehdy známých trubic Williams . Měla vyrábět trubky sama a za tímto účelem byl v laboratoři zorganizován speciální workshop pod vedením Pata Youtze. Elektronky vyvinuté v laboratoři Servomechanisms měly dvě elektronová děla – jedno pro zápis a čtení informací a druhé pro neustálou regeneraci informací pomocí proudu elektronů s nízkou energií. Informace byly zaznamenány na speciální slídový terč, na který byla nanesena mozaika elektricky vodivých buněk. Charakteristickým rysem vyvinutých elektronek bylo, že nevyžadovaly periodickou regeneraci zaznamenané informace čtením každé buňky s jejím následným přepsáním, jak je tomu u Williamsových trubic. V paměťových elektronkách Whirlwind probíhala regenerace nepřetržitě pod vlivem proudu pomalých elektronů. Proces vývoje stabilních CRT s pracovní pamětí se vlekl dlouhou dobu a začal zpomalovat dokončení počítače jako celku. Počátkem roku 1950 byl počítač zcela připraven, ale ještě neměl paměťové zařízení. Teprve na podzim roku 1950 byla vyrobena první banka RAM o 256 slovech (16 elektronek po 256 bitech). Tato zpoždění přiměla společnost Forrester k hledání alternativních způsobů ukládání informací. V červnu 1949 začal experimentovat s feritovými kroužky a dosáhl zajímavých výsledků. Na podzim téhož roku pověřil laboratorního asistenta Williama N. Papiana, aby v těchto experimentech pokračoval. Hlavním úkolem bylo získat rychlost, která přesahuje charakteristiky elektrostatické paměti. Mezitím, na podzim roku 1950, počítač konečně obdržel první banku elektrostatické paměti, která umožnila zahájit jeho komplexní testy. Ukázali, že paměť stále zůstává nespolehlivým prvkem a maximální doba provozuschopnosti není delší než 1 hodina. Do března 1951 byly vylepšeny úložné elektronky, což umožnilo dosáhnout uspokojivého provozu počítače a začít na něm řešit praktické problémy. V roce 1952 byl učiněn pokus nahradit 256bitové elektronky vylepšenými 1024bitovými elektronkami, ale nové elektronky se opět ukázaly jako nespolehlivé a vyžadovaly další vylepšení. Ve stejné době začala Papianova práce s feritovými jádry dávat velmi dobré výsledky. Nejprve vybral optimální feromagnetické materiály, experimentoval na jednotlivých kroužcích, poté se mu podařilo vyrobit funkční testovací matrici 2x2 kroužků a koncem roku 1951 byla testována matrice 16x16, která měla kapacitu rovnou kapacitě paměť CRT. V květnu 1952 dosáhl Papian přístupového času k prvkům této matice méně než 1 mikrosekundu. V červenci se společnost Forrester rozhodla vyrobit plně funkční feritovou paměťovou banku s kapacitou 1024 slov (16 matic 32x32). Vzhledem k tomu, že v tuto chvíli byl počítač silně zatížen úkoly ONR a amerického letectva, bylo rozhodnuto postavit speciální testovací počítač (Memory Test Computer) pro komplexní testování nové paměti. Tento počítač byl dokončen v květnu 1953 a v létě úspěšně testován. Ihned poté byly k Whirlwindu I připojeny dvě banky feritových pamětí a počítač poté konečně dosáhl svých konstrukčních parametrů. Vzhledem k tomu, že doba přístupu k feritové paměti se snížila na 9 µs ve srovnání s 25 µs u elektrostatické paměti, rychlost počítače se zvýšila téměř 2krát. Spolehlivost počítače se přitom prudce zvýšila.
Jak bylo popsáno výše, počítač se stal v březnu-dubnu 1951 plnohodnotným pracovním zařízením a od tohoto okamžiku začal jeho pravidelný provoz především pro nasazení zkušebního systému protivzdušné obrany, který byl nazván Cape Code System. K provedení těchto prací byla v roce 1951 na MIT založena nová laboratoř, Lincolnova laboratoř. Práce na systému Cape Cod zahrnovaly následující akční plán:
První úkol byl vyřešen velmi rychle - do konce dubna Cape Code System třikrát úspěšně poskytl stíhačce testovací cíl. Zároveň bylo konstatováno, že stíhačka byla schopna přivést k cíli na vzdálenost menší než 1000 m. V průběhu této práce vytvořil tým Whirlwind první grafický displej na světě, který zobrazoval sled vektorů na obrazovky a také umožnil zobrazit čísla a písmena prezentovaná jako pole.body v matici 3x5. Grafický displej byl vybaven světelným perem, které umožňovalo obsluze přímo na obrazovce indikovat požadovaný cíl. Grafický displej Whirlwind měl dvě obrazovky – jednu určenou pro obsluhu, před druhou byla instalována počítačem řízená kamera. To umožnilo operátorovi v případě potřeby vytvořit tištěnou kopii obrazovky. Koncem roku 1953 umožnil systém Cape Cod sledovat až 48 cílů současně.
Kromě práce v zájmu letectva byl počítač využíván i k řešení výpočetních problémů vědeckého a vědecky aplikovaného charakteru, pocházejících z ONR a z různých laboratoří MPO. V průměru se na počítači řešilo 100-150 takových problémů ročně.
V roce 1952 byly zahájeny práce na vývoji nového počítače Whirlwind II, což vedlo k vytvoření sériových počítačů AN/FSQ-7 a AN/FSQ-8, které se staly základem SAGE ( Semi-Automatic Ground Environment ) air obranný systém . Whirlwind I byl dlouhou dobu používán při experimentálním vývoji systémů protivzdušné obrany a řízení letového provozu prováděném Lincolnovou laboratoří a až do roku 1956 řešil úkoly financované ONR. Po vytvoření Whirlwind II a sériových počítačů AN / FSQ-7 / 8 na něm založených však potřeba Whirlwind I zmizela. V roce 1959 bylo rozhodnuto, že její další provoz je neúčelný, především z důvodu vysokých nákladů na provoz, a 30. června 1959 byl vypnut. Později byla pronajata společnosti Wolf Research and Development Corporation, kterou založil William Wolf , jeden z bývalých členů projektu Whirlwind. Tato společnost si počítač přestěhovala do kanceláře, zprovoznila a několik let používala pro své úkoly. Po dokončení těchto prací byl Whirlwind I v roce 1964 konečně odstaven a demontován. Některé z jeho součástí byly zachovány a darovány Smithsonian Institution .
Feritová paměť , vyvinutá pro počítač Whirlwind I, se na dvě desetiletí stala hlavní paměťovou technologií pro počítače, byla používána ve třech generacích počítačů, dokud nebyla v polovině 70. let nahrazena statickou a dynamickou pamětí na integrovaných obvodech .
Na základě řešení vypracovaných na počítači Whirlwind byl vytvořen první automatizovaný systém protivzdušné obrany SAGE na světě , který zahrnoval 24 regionálních center a velitelské centrum. Tento systém zajišťoval konvergenci informací z různých zdrojů informací a sestavení jednotného taktického obrazu jak na úrovni regionálních center, tak na úrovni kontinentu s následným zaměřováním protiraket a řízených střel BOMARC . Tento systém úspěšně sloužil až do počátku 80. let.
Řešení použitá při návrhu Whirlwind I následně vytvořila základ pro počítače řady PDP , vyráběné společností Digital Equipment Corporation (DEC), založenou v roce 1957 Kennethem Olsenem , jedním z účastníků projektu Whirlwind. Počítače řady DEC PDP-8 a PDP-11 se staly nejoblíbenějšími počítači vyráběnými v době před příchodem osobních počítačů.