Wirbelwind ich - Whirlwind I

Wirbelwind ich
Wissenschaftsmuseum, Boston, MA - IMG 3168.JPG
Wirbelwind-Computerelemente: Kernspeicher (links) und Bedienkonsole
Produktfamilie "Wirbelwind-Programm"/"Wirbelwind-Projekt"
Veröffentlichungsdatum 20. April 1951 ( 1951-04-20 )

Whirlwind war ein Kalter Krieg -Ära Vakuumröhre Computer durch das entwickelte MIT Servomechanismen Labor für die US - Marine . Er wurde 1951 in Betrieb genommen und war einer der ersten digitalen elektronischen Computer, die in Echtzeit für die Ausgabe arbeiteten, und der erste, der nicht einfach ein elektronischer Ersatz für ältere mechanische Systeme war.

Es war einer der ersten Computer, der parallel (statt seriell ) rechnete , und war der erste, der Magnetkernspeicher verwendete .

Seine Entwicklung führte direkt zum Whirlwind II-Design, das als Grundlage für das SAGE -Luftverteidigungssystem der US-Luftwaffe diente , und indirekt zu fast allen Geschäftscomputern und Minicomputern in den 1960er Jahren, insbesondere wegen "kurzer Wortlänge, Geschwindigkeit, Menschen".

Hintergrund

Während des Zweiten Weltkriegs , die US Navy ‚s Naval Research Lab genähert MIT über die Möglichkeit, einen Computer die Schaffung eines fahren Flugsimulator für die Ausbildung Bomberbesatzungen. Sie stellten sich ein ziemlich einfaches System vor, in dem der Computer ein simuliertes Instrumentenbrett basierend auf den Steuereingaben der Piloten ständig aktualisierte. Im Gegensatz zu älteren Systemen wie dem Link Trainer hätte das von ihnen vorgestellte System ein wesentlich realistischeres Aerodynamikmodell , das an jeden Flugzeugtyp angepasst werden könnte. Dies war eine wichtige Überlegung zu der Zeit, als viele neue Designs in Dienst gestellt wurden.

Das Servomechanisms Lab im MIT-Gebäude 32 führte eine kurze Umfrage durch, die zu dem Schluss kam, dass ein solches System möglich ist. Das Office of Naval Research der Navy beschloss, die Entwicklung im Rahmen von Project Whirlwind (und seinen Schwesterprojekten, Project Typhoon und Project Cyclone , mit anderen Institutionen) zu finanzieren, und das Labor übertrug Jay Forrester die Verantwortung für das Projekt. Sie bauten bald einen großen analogen Computer für diese Aufgabe, stellten jedoch fest, dass er ungenau und unflexibel war. Um diese Probleme allgemein zu lösen, wäre ein viel größeres System erforderlich, vielleicht eines, das so groß ist, dass es unmöglich zu konstruieren ist. Judy Clapp war ein frühes leitendes technisches Mitglied dieses Teams.

Perry Crawford , ein weiteres Mitglied des MIT-Teams, sah 1945 eine Demonstration von ENIAC . Er schlug dann vor, dass ein digitaler Computer die beste Lösung wäre. Eine solche Maschine würde es ermöglichen, die Genauigkeit von Simulationen durch Hinzufügen von mehr Code in das Computerprogramm zu verbessern , im Gegensatz zum Hinzufügen von Teilen zu der Maschine. Solange die Maschine schnell genug war, war der Komplexität der Simulation theoretisch keine Grenze gesetzt.

Bis zu diesem Zeitpunkt waren alle erstellten Computer für einzelne Aufgaben bestimmt und wurden im Batch-Modus ausgeführt . Im Vorfeld wurden eine Reihe von Eingaben erstellt und in den Computer eingespeist, der die Antworten ausarbeitete und ausdruckte. Dies war für das Whirlwind-System nicht geeignet, das ständig mit einer sich ständig ändernden Reihe von Eingaben arbeiten musste. Geschwindigkeit wurde zu einem großen Thema: Während es bei anderen Systemen einfach bedeutete, länger auf den Ausdruck zu warten, bedeutete es bei Whirlwind, die Komplexität der Simulation stark einzuschränken.

Technische Beschreibung

Gestaltung und Konstruktion

1947 vollendeten Forrester und sein Mitarbeiter Robert Everett den Entwurf eines Hochgeschwindigkeits -Computers mit gespeichertem Programm für diese Aufgabe. Die meisten Computer dieser Ära arbeiteten im bitseriellen Modus , verwendeten Einzelbit-Arithmetik und fütterten große Wörter, oft 48 oder 60 Bits groß, ein Bit nach dem anderen. Dies war für ihre Zwecke einfach nicht schnell genug, daher umfasste Whirlwind sechzehn solcher mathematischen Einheiten, die in jedem Zyklus im bitparallelen Modus mit einem vollständigen 16-Bit-Wort arbeiteten. Abgesehen von der Speichergeschwindigkeit war Whirlwind ("20.000 Einzeladressenoperationen pro Sekunde" im Jahr 1951) im Wesentlichen sechzehnmal so schnell wie andere Maschinen. Heute rechnen fast alle CPUs im "bitparallelen" Modus.

Die Wortgröße wurde nach einiger Überlegung ausgewählt. Die Maschine arbeitete, indem sie bei fast jedem Befehl eine einzige Adresse eingab, wodurch die Anzahl der Speicherzugriffe reduziert wurde. Bei Operationen mit zwei Operanden, z. B. beim Addieren, wurde angenommen, dass der "andere" Operand der zuletzt geladene ist. Whirlwind betrieben ähnlich wie eine umgekehrte polnische Notation Rechner in dieser Hinsicht; außer dass es keinen Operandenstapel gab, nur einen Akkumulator . Die Designer waren der Meinung, dass 2048 Wörter Speicher die minimal nutzbare Menge sein würden, die 11 Bits zur Darstellung einer Adresse erforderte, und dass 16 bis 32 Befehle das Minimum für weitere fünf Bits sein würden – also waren es 16 Bits.

Das Whirlwind-Design beinhaltete einen Kontrollspeicher, der von einer Hauptuhr angetrieben wurde. Jeder Schritt des Takts wählte eine oder mehrere Signalleitungen in einer Diodenmatrix aus , die Gates und andere Schaltungen auf der Maschine aktivierte. Ein spezieller Schalter leitete Signale an verschiedene Teile der Matrix, um verschiedene Anweisungen zu implementieren. In den frühen 1950er Jahren stürzte Whirlwind I "im Durchschnitt alle 20 Minuten ab".

Der Wirbelwind-Bau begann 1948 und beschäftigte 175 Mitarbeiter. darunter 70 Ingenieure und Techniker. Im dritten Quartal 1949 war der Computer so weit fortgeschritten, dass er eine Gleichung lösen und ihre Lösung auf einem Oszilloskop anzeigen konnte, und sogar für das erste animierte und interaktive Computergrafikspiel. Schließlich führte Whirlwind am 20. April 1951 "erfolgreich die digitale Berechnung von Abhörkursen durch". Nach drei Jahren hatte die Marine das Interesse verloren. Während dieser Zeit war die Air Force jedoch daran interessiert, Computer zu verwenden, um die Aufgabe des bodenkontrollierten Abfangens zu unterstützen , und die Whirlwind war die einzige Maschine, die für diese Aufgabe geeignet war. Sie nahmen die Entwicklung im Rahmen von Project Claude auf .

Whirlwind wog 20.000 Pfund (10 Short Tonnen; 9,1 t).

Das Speichersubsystem

Das ursprüngliche Maschinendesign erforderte 2048 (2K) Wörter von jeweils 16 Bits mit Direktzugriffsspeicher. Die einzigen zwei verfügbaren Speichertechnologien im Jahr 1949, die so viele Daten speichern konnten, waren Quecksilber-Verzögerungsleitungen und elektrostatische Speicher .

Eine Quecksilber-Verzögerungsleitung bestand aus einer langen, mit Quecksilber gefüllten Röhre , einem mechanischen Wandler an einem Ende und einem Mikrofon am anderen Ende, ähnlich einer Federhalleinheit , die später in der Audioverarbeitung verwendet wurde. An einem Ende wurden Impulse in die Quecksilber-Verzögerungsleitung geschickt und brauchten eine gewisse Zeit, um das andere Ende zu erreichen. Sie wurden vom Mikrofon erkannt, verstärkt, in die richtige Impulsform umgeformt und in die Verzögerungsleitung zurückgesendet. So soll der Speicher rezirkulieren.

Mercury-Verzögerungsleitungen arbeiteten ungefähr mit Schallgeschwindigkeit, waren also in Computer-Betrachtungen sehr langsam, selbst nach den Standards der Computer der späten 1940er und 1950er Jahre. Die Schallgeschwindigkeit in Quecksilber war auch stark von der Temperatur abhängig. Da eine Verzögerungsleitung eine definierte Anzahl von Bits enthielt, musste sich die Taktfrequenz mit der Temperatur des Quecksilbers ändern. Wenn es viele Verzögerungsleitungen gäbe und diese nicht immer die gleiche Temperatur hätten, könnten die Speicherdaten leicht beschädigt werden.

Die Konstrukteure von Whirlwind verwarfen die Verzögerungsleitung schnell als möglichen Speicher – sie war sowohl zu langsam für den angedachten Flugsimulator als auch zu unzuverlässig für ein reproduzierbares Produktionssystem, für das Whirlwind ein funktionsfähiger Prototyp sein sollte.

Die alternative Form des Gedächtnisses wurde als "elektrostatisch" bezeichnet. Dies war eine Kathodenstrahlröhre Speicher, ähnlich in vielen Aspekten zu einem frühen Fernsehbildröhre oder Oszilloskop Rohr. Eine Elektronenkanone schickte einen Elektronenstrahl zum anderen Ende der Röhre, wo sie auf einen Schirm trafen. Der Strahl würde abgelenkt, um an einer bestimmten Stelle auf dem Bildschirm zu landen. Der Strahl könnte dann an dieser Stelle eine negative Ladung aufbauen oder eine bereits vorhandene Ladung ändern. Durch Messen des Strahlstroms konnte festgestellt werden, ob der Fleck ursprünglich eine Null oder eine Eins war, und ein neuer Wert könnte durch den Strahl gespeichert werden.

Im Jahr 1949 gab es verschiedene Formen von elektrostatischen Speicherröhren . Die bekannteste ist heute die Williams-Röhre , die in England entwickelt wurde, aber es gab eine Reihe anderer, die unabhängig von verschiedenen Forschungslabors entwickelt wurden. Die Ingenieure von Whirlwind erwogen die Williams-Röhre, stellten jedoch fest, dass die dynamische Natur des Speichers und die Notwendigkeit häufiger Auffrischungszyklen mit den Designzielen für Whirlwind I nicht vereinbar waren. Stattdessen entschieden sie sich für ein Design, das am MIT Radiation Laboratory entwickelt wurde . Dies war eine Doppelkanonen-Elektronenröhre. Eine Kanone erzeugte einen scharf fokussierten Strahl, um einzelne Bits zu lesen oder zu schreiben. Die andere Kanone war eine "Flutkanone", die den gesamten Bildschirm mit niederenergetischen Elektronen besprühte. Aufgrund des Designs war diese Röhre eher ein statischer RAM , der im Gegensatz zur dynamischen RAM- Williams-Röhre keine Auffrischungszyklen erforderte .

Am Ende war die Wahl dieser Röhre unglücklich. Die Williams-Röhre war wesentlich besser entwickelt und konnte trotz der Notwendigkeit einer Auffrischung problemlos 1024 Bit pro Röhre aufnehmen und war bei korrekter Bedienung recht zuverlässig. Die MIT-Röhre befand sich noch in der Entwicklung, und obwohl das Ziel darin bestand, 1024 Bits pro Röhre zu speichern, wurde dieses Ziel selbst mehrere Jahre, nachdem der Plan nach funktionsfähigen Röhren in voller Größe verlangt hatte, nie erreicht. Außerdem hatten die Spezifikationen eine Zugriffszeit von sechs Mikrosekunden gefordert , aber die tatsächliche Zugriffszeit betrug etwa 30 Mikrosekunden. Da die Grundzykluszeit des Whirlwind I-Prozessors durch die Speicherzugriffszeit bestimmt wurde, war der gesamte Prozessor langsamer als vorgesehen.

Magnetkernspeicher

Schaltung aus Kernspeichereinheit von Whirlwind
Core-Stack aus der Core-Speichereinheit von Whirlwind
Project Whirlwind- Kernspeicher, ca. 1951

Jay Forrester suchte verzweifelt nach einem geeigneten Speicherersatz für seinen Computer. Anfangs hatte der Computer nur 32 Speicherwörter, und 27 dieser Wörter waren schreibgeschützte Register aus Kippschaltern . Die restlichen fünf Register waren Flip-Flop- Speicher, wobei jedes der fünf Register aus mehr als 30 Vakuumröhren bestand . Dieser sogenannte "Testspeicher" sollte das Auschecken der Verarbeitungselemente ermöglichen, während der Hauptspeicher nicht bereit war. Der Hauptspeicher war so spät, dass die ersten Experimente zur Verfolgung von Flugzeugen mit Live- Radardaten mit einem manuell im Testspeicher abgelegten Programm durchgeführt wurden. Forrester stieß auf eine Anzeige für ein neues magnetisches Material, das von einem Unternehmen hergestellt wird. Forrester erkannte, dass dies das Potenzial hatte, ein Datenspeichermedium zu sein, und besorgte sich eine Werkbank in einer Ecke des Labors und erhielt mehrere Proben des Materials zum Experimentieren. Dann verbrachte er mehrere Monate im Labor genauso viel Zeit wie im Büro, das das gesamte Projekt leitete.

Am Ende dieser Monate hatte er die Grundlagen des Magnetkernspeichers erfunden und bewiesen, dass es wahrscheinlich machbar war. Seine Demonstration bestand aus einer kleinen Kernebene von 32 Kernen mit einem Durchmesser von jeweils 3/8 Zoll. Nachdem sich das Konzept als praktisch erwiesen hatte, musste es nur noch auf ein praktikables Design reduziert werden. Im Herbst 1949 beauftragte Forrester den Doktoranden William N. Papian, Dutzende einzelner Kerne zu testen, um diejenigen mit den besten Eigenschaften zu bestimmen. Papians Arbeit wurde gestärkt, als Forrester den Studenten Dudley Allen Buck bat , an dem Material zu arbeiten, und ihn der Werkbank zuwies, während Forrester wieder in das Vollzeit-Projektmanagement zurückkehrte. (Buck fuhr fort, das Kryotron und den inhaltsadressierbaren Speicher im Labor zu erfinden .)

Nach etwa zwei Jahren weiterer Forschung und Entwicklung konnten sie eine Kernebene demonstrieren, die aus 32 x 32 oder 1024 Kernen bestand und 1024 Datenbits enthielt. Damit hatten sie die ursprünglich vorgesehene Speichergröße einer elektrostatischen Röhre erreicht, ein Ziel, das die Röhren selbst noch nicht erreicht hatten und in der neuesten Designgeneration nur 512 Bit pro Röhre fassten. Sehr schnell wurde ein 1024-Wort-Kernspeicher hergestellt, der den elektrostatischen Speicher ersetzte. Das Design und die Produktion des elektrostatischen Speichers wurden kurzerhand eingestellt, wodurch viel Geld für andere Forschungsbereiche gespart wurde. Später wurden zwei zusätzliche Kernspeichereinheiten hergestellt, wodurch die verfügbare Gesamtspeichergröße erhöht wurde.

Vakuumröhren

Das Design verwendete etwa 5.000 Vakuumröhren .

Die große Anzahl der bei Whirlwind verwendeten Röhren führte zu einer problematischen Ausfallrate, da ein einzelner Röhrenausfall einen Systemausfall verursachen konnte. Die Standard- Pentode zu dieser Zeit war die 6AG7, aber Tests im Jahr 1948 ergaben, dass ihre erwartete Lebensdauer für diese Anwendung zu kurz war. Konsequenterweise wurde stattdessen der 7AD7 gewählt, der jedoch auch eine zu hohe Ausfallrate im Betrieb aufwies. Eine Untersuchung der Ursache der Fehler ergab, dass Silizium in der Wolframlegierung des Heizfadens eine Kathodenvergiftung verursachte ; sich auf der Kathode bildende Ablagerungen von Bariumorthosilikat verringern oder verhindern deren Funktion der Elektronenemission . Die 7AK7- Röhre mit hochreinem Wolfram-Filament wurde dann speziell für Whirlwind von Sylvania entwickelt .

Die Kathodenvergiftung ist am schlimmsten, wenn die Röhre bei eingeschalteter Heizung abgesperrt wird . Kommerzielle Röhren waren für Radio- (und später Fernseh-) Anwendungen gedacht, wo sie selten in diesem Zustand betrieben werden. Analoge Anwendungen wie diese halten die Röhre im linearen Bereich, während digitale Anwendungen die Röhre zwischen Cut-Off und Vollleitung schalten und nur kurz den linearen Bereich durchfahren. Darüber hinaus erwarteten kommerzielle Hersteller, dass ihre Röhren nur wenige Stunden pro Tag in Gebrauch waren. Um dieses Problem zu beheben, wurden die Heizungen an Ventilen abgeschaltet, von denen erwartet wurde, dass sie für längere Zeit nicht schalten. Die Heizspannung wurde mit einer langsamen Rampenwellenform ein- und ausgeschaltet , um einen thermischen Schock an den Heizfäden zu vermeiden .

Auch diese Maßnahmen reichten nicht aus, um die erforderliche Zuverlässigkeit zu erreichen. Beginnende Fehler wurden proaktiv gesucht, indem die Ventile während der Wartungsperioden getestet wurden. Sie wurden Belastungstests unterzogen , die als Marginal Testing bezeichnet werden, da sie Spannungen und Signale bis zu ihren Konstruktionsgrenzen an die Ventile anlegten. Diese Tests wurden entwickelt, um einen frühzeitigen Ausfall von Ventilen herbeizuführen, die sonst während des Betriebs ausgefallen wären. Sie wurden automatisch von einem Testprogramm durchgeführt. Die Instandhaltungsstatistik 1950 zeigt den Erfolg dieser Maßnahmen. Von den 1.622 verwendeten 7AD7-Röhren fielen 243 aus, von denen 168 durch Randtests gefunden wurden. Von den 1.412 im Einsatz befindlichen 7AK7-Röhren fielen 18 aus, davon nur 2 bei der Randkontrolle. Infolgedessen war Whirlwind weitaus zuverlässiger als jede handelsübliche Maschine.

Viele andere Merkmale des Whirlwind-Rohrtestverfahrens waren keine Standardtests und erforderten speziell gebaute Geräte. Eine Bedingung, die spezielle Tests erforderte, war ein kurzzeitiger Kurzschluss an einigen Röhren, der durch kleine Gegenstände wie Flusen im Inneren der Röhre verursacht wurde. Gelegentliche ungewollte kurze Pulse sind in analogen Schaltungen ein kleines Problem oder sogar völlig unbemerkt, sind jedoch in einer digitalen Schaltung wahrscheinlich katastrophal. Diese tauchten bei Standardtests nicht auf, konnten aber manuell durch Antippen der Glashülle entdeckt werden. Eine Thyratron-getriggerte Schaltung wurde gebaut, um diesen Test zu automatisieren.

Luftverteidigungsnetzwerke

Nach dem Anschluss an die experimentelle Mikrowelle Frühwarnung (MEW) Radar bei Hanscom Field mit Jack Harringtons Ausrüstung und kommerzielle Telefonleitungen, Flugzeuge wurden von Whirlwind I. Das verfolgte Cape Cod - System anschließend computerisierte demonstriert Luftverteidigung abdeckt südlichen New England . Signale von drei Langstrecken-Radaren (AN/FPS-3), elf Lückenfüller-Radaren und drei Höhenfinder-Radaren wurden über Telefonleitungen an den Computer Whirlwind I in Cambridge, Massachusetts, übertragen . Das Whirlwind II-Design für eine größere und schnellere Maschine (nie fertiggestellt) war die Grundlage für das SAGE -Luftverteidigungssystem IBM AN/FSQ-7 Combat Direction Central .

Erbe

Der Whirlwind verwendet ungefähr 5.000 Vakuumröhren. Es wurde auch versucht, das Whirlwind-Design in eine Transistorform umzuwandeln, angeführt von Ken Olsen und bekannt als TX-0 . TX-0 war sehr erfolgreich und es wurden Pläne gemacht, eine noch größere Version namens TX-1 zu machen. Dieses Projekt war jedoch viel zu ehrgeizig und musste auf eine kleinere Version namens TX-2 zurückgeschraubt werden . Selbst diese Version erwies sich als problematisch, und Olsen verließ das Projekt mitten im Projekt, um die Digital Equipment Corporation (DEC) zu gründen . Der PDP-1 von DEC war im Wesentlichen eine Sammlung von TX-0- und TX-2-Konzepten in einem kleineren Paket.

Nachdem ich SAGE unterstützt hatte, wurde Whirlwind I vom 30. Juni 1959 bis 1974 vom Projektmitglied Bill Wolf gemietet ($1/Jahr).

Ken Olsen und Robert Everett retteten die Maschine, die 1979 zur Grundlage des Boston Computer Museums wurde. Sie befindet sich heute in der Sammlung des Computer History Museum in Mountain View, Kalifornien .

Seit Februar 2009 ist eine Kernspeichereinheit im Charles River Museum of Industry & Innovation in Waltham, Massachusetts, ausgestellt . Ein vom Computer History Museum ausgeliehenes Flugzeug ist als Teil der Historic Computer Science Displays im Gates Computer Science Building in Stanford zu sehen .

Das Gebäude, in dem Whirlwind untergebracht war, beherbergte bis vor kurzem die campusweite IT-Abteilung des MIT, Information Services & Technology, und wurde 1997-1998 in seinem ursprünglichen Außendesign restauriert.

Siehe auch

Verweise

Externe Links

Aufzeichnungen
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