Torbellino yo
Whirlwind I fue una computadora de tubo de vacío de la era de la Guerra Fría desarrollada por el Laboratorio de Servomecanismos del MIT 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 sistemas mecánicos más antiguos.
Fue una de las primeras computadoras en calcular en paralelo (en lugar de en serie) y fue la primera en usar 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 minicomputadoras comerciales en la década de 1960, particularmente debido al mantra "short longitud de palabra, velocidad, personas."
Antecedentes
Durante la Segunda Guerra Mundial, el Laboratorio de Investigación Naval de la Marina de los EE. UU. se acercó al MIT sobre la posibilidad de crear una computadora para manejar un simulador de vuelo para entrenar tripulaciones de bombarderos. 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 muchos diseños nuevos en servicio.
El laboratorio de servomecanismos del edificio 32 del MIT realizó una breve encuesta que concluyó que tal sistema era posible. La Oficina de Investigación Naval de la Armada decidió financiar el desarrollo bajo el Proyecto Torbellino (y sus proyectos hermanos, Proyecto Tifón y Proyecto Cyclone, con otras instituciones), y el laboratorio puso a Jay Forrester a cargo de el proyecto. Pronto construyeron una gran computadora analógica para la tarea, pero descubrieron que era imprecisa e inflexible. Resolver estos problemas de manera general requeriría un sistema mucho más grande, tal vez uno tan grande que sea 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. Siempre que la máquina fuera lo suficientemente rápida, no había límite teórico para la complejidad de la simulación.
Hasta este punto, todas las computadoras construidas estaban dedicadas a tareas individuales y se ejecutaban en modo por lotes. Una serie de entradas se configuraron de antemano y se introdujeron en la computadora, que calcularía 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, usando 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 de esas unidades matemáticas, operando en una palabra completa de 16 bits en cada ciclo en modo bit-parallel. Ignorando la velocidad de la memoria, Whirlwind ("20.000 operaciones de dirección única por segundo" en 1951) era esencialmente dieciséis veces más rápida que otras máquinas. Hoy en día, casi todas las CPU realizan operaciones aritméticas en "bit-parallel" modo.
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, el "otro" Se supuso que el operando era el último cargado. Whirlwind funcionó de manera muy similar a una calculadora de notación polaca inversa a este respecto; excepto que no había una pila de operandos, solo un acumulador. Los diseñadores consideraron que 2048 palabras de memoria serían la cantidad mínima utilizable, lo que requeriría 11 bits para representar una dirección, y que de 16 a 32 instrucciones serían el mínimo para otros cinco bits, por lo que fueron 16 bits.
El diseño Whirlwind incorporó un almacén de control impulsado 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 "colgaba cada 20 minutos en promedio."
La construcción de Whirlwind comenzó en 1948, un esfuerzo que empleó a 175 personas, incluidos 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 "realizó con éxito el cálculo digital de los cursos de intercepción" el 20 de abril de 1951. El presupuesto del proyecto fue de aproximadamente $ 1 millón al año, que fue 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 intercepción controlada desde tierra, y el Whirlwind era la única máquina adecuada para la tarea. Asumieron el desarrollo bajo el Proyecto Claude.
Torbellino pesaba 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 tantos datos eran las líneas de retardo de mercurio y el almacenamiento electrostático.
Una línea de retardo de mercurio constaba de un tubo largo lleno de mercurio, un transductor mecánico en un extremo y un micrófono en el otro extremo, muy parecido a una unidad de reverberación de resorte que luego se usó en el procesamiento de audio. Los pulsos se enviaban a la línea de retardo de mercurio en un extremo y tardaban cierto tiempo en llegar al otro extremo. Fueron detectados por el micrófono, amplificados, reformados en la forma de pulso correcta y enviados de vuelta a la línea de retardo. Así, se decía que la memoria recirculaba.
Las líneas de retardo de mercurio funcionaban aproximadamente a la velocidad del sonido, por lo que eran muy lentas en términos informáticos, incluso para los estándares de los ordenadores 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 corromperse fácilmente.
Los diseñadores de Whirlwind descartaron rápidamente la línea de retraso como un posible recuerdo: era demasiado lenta para el simulador de vuelo previsto 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". Esta era una memoria de tubo de rayos catódicos, similar en muchos aspectos a un tubo de imagen de televisión o un tubo de osciloscopio. Un cañón de electrones envió un haz de electrones al otro extremo del tubo, donde impactaron en una pantalla. El rayo se desviaría para aterrizar en un punto particular de la pantalla. El haz podría acumular una carga negativa en ese punto o cambiar una carga que ya estaba allí. Al medir la corriente del haz, se podría determinar si el punto era originalmente un cero o un uno, y el haz podría almacenar un nuevo valor.
Había varias formas de válvulas de memoria electrostática en 1949. La más conocida hoy en día es la válvula de Williams, desarrollada en Inglaterra, pero había una serie de otras que habían sido desarrolladas 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 su lugar, optaron por un diseño que se estaba desarrollando en el Laboratorio de Radiación del MIT.. Este era un tubo de electrones de dos cañones. Una pistola produjo un haz bien enfocado para leer o escribir bits individuales. La otra arma era una "pistola de inundación" que roció 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 RAM dinámico Williams.
Al final, la elección de este tubo fue desafortunada. El tubo Williams se desarrolló considerablemente mejor y, a pesar de la necesidad de actualizarlo, 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 requería tubos funcionales de tamaño completo. Además, las especificaciones requerían 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 estaba determinado por el tiempo de acceso a la memoria, todo el procesador era más lento de lo diseñado.
Memoria de núcleo magnético
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 eran almacenamiento flip-flop, y cada uno de los cinco registros se fabricaba a partir de más de 30 tubos de vacío. Este 'almacenamiento de prueba', como se le 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 se encontró con un anuncio de un nuevo material magnético que estaba produciendo una empresa. Reconociendo 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 demostrado que era 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 cuáles tenían 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 continuaría inventando el criotrón y la memoria de contenido direccionable en el laboratorio).
Después de aproximadamente dos años de investigación y desarrollo, pudieron demostrar un plano de núcleo que estaba hecho de 32 por 32, o 1024 núcleos, que contenían 1024 bits de datos. Por lo tanto, habían alcanzado el tamaño de almacenamiento originalmente previsto de un tubo electrostático, un objetivo que aún no habían alcanzado los propios tubos, 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 cancelaron sumariamente, lo que ahorró una gran cantidad de dinero para reasignarlo a otras áreas de investigación. Posteriormente se fabricaron dos unidades de memoria central adicionales, lo que aumentó el tamaño total de la memoria disponible.
Tubos de vacío
El diseño utilizó aproximadamente 5000 tubos de vacío.
La gran cantidad de tubos utilizados en Whirlwind resultó en una tasa de falla problemática, ya que la 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 este también tenía una tasa de fallas demasiado alta en el servicio. Una investigación sobre la causa de las fallas encontró que el silicio en la aleación de tungsteno del filamento del calentador estaba causando envenenamiento del cátodo; los depósitos de ortosilicato de bario que se forman en el cátodo reducen o impiden su función de emitir electrones. El tubo 7AK7 con un filamento de tungsteno de alta pureza fue desarrollado especialmente para Whirlwind por Sylvania.
El envenenamiento por cátodo es peor cuando el tubo se está cortando con el calentador encendido. Los tubos comerciales estaban destinados a 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 corte y conducción completa, pasando solo brevemente por la región lineal. Además, los fabricantes comerciales esperaban que sus tubos solo se usaran 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 encendía y apagaba con una forma de onda de rampa lenta para evitar el choque térmico en los filamentos del calentador.
Ni siquiera estas medidas fueron suficientes para lograr la confiabilidad requerida. Se buscaron proactivamente las fallas incipientes probando las válvulas durante los períodos de mantenimiento. Fueron sujetos a pruebas de estrés llamadas pruebas marginales porque aplicaron voltajes y señales a las válvulas hasta sus márgenes de diseño. Estas pruebas fueron diseñadas para provocar fallas tempranas en válvulas que, de otro modo, habrían fallado mientras estaban en servicio. Se llevaron a cabo automáticamente mediante 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 detectaron mediante pruebas marginales. De los 1412 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 en el mercado.
Muchas otras características del régimen de pruebas de tubos Whirlwind no eran pruebas estándar y requerían equipos construidos especialmente. Una condición que requirió una prueba especial fue un cortocircuito momentáneo en algunos tubos causado por pequeños objetos como pelusa dentro del tubo. Los pulsos cortos espurios ocasionales son un problema menor, o incluso completamente imperceptibles, en los 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 Microwave Early Warning (MEW) en Hanscom Field utilizando el equipo de Jack Harrington y las líneas telefónicas comerciales, Whirlwind I rastreó las aeronaves. Posteriormente, el sistema Cape Cod demostró una defensa aérea computarizada que cubría el sur de New Inglaterra. Las señales de tres radares de largo alcance (AN/FPS-3), once radares de relleno de espacios y tres radares de búsqueda de altura se transmitieron a través de líneas telefónicas a la computadora Whirlwind I en Cambridge, Massachusetts. El diseño Whirlwind II para una máquina más grande y más rápida (nunca completada) fue la base del sistema de defensa aérea SAGE IBM AN/FSQ-7 Combat Direction Central.
Legado
El torbellino usó aproximadamente 5000 tubos de vacío. También se inició un esfuerzo para convertir el diseño Whirlwind a una forma transistorizada, liderado 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 la 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 Museo de la Computación de Boston en 1979. Ahora se encuentra en la colección del Museo de Historia de la Computación en Mountain View, California.
Desde febrero de 2009, una unidad de memoria central se exhibe en el Charles River Museum of Industry & Innovación en Waltham, Massachusetts. Un avión, prestado por el Museo de Historia de la Computación, se muestra como parte de las exhibiciones de Ciencias de la Computación Históricas en el Edificio de Ciencias de la Computación de Gates, Stanford.
El edificio que albergaba a Whirlwind fue hasta hace poco la sede del departamento de TI de todo el campus del MIT, Servicios de Información y Servicios de Información. Technology y en 1997–1998, se restauró a su diseño exterior original.
Contenido relacionado
Motorola 68020
PaintShop Pro
Unidad central de IBM