Whirlwind I era 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 operaron en tiempo real para la producción, y la primera que no fue simplemente un reemplazo electrónico de sistemas mecánicos más antiguos.
Fue una de las primeras computadoras en calcular en bits paralelos (en lugar de bits 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 minicomputadoras comerciales en la década de 1960, [3] particularmente debido al mantra "palabra corta, velocidad, gente." [4]
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 basándose en las entradas de control de los pilotos. A diferencia de sistemas más antiguos como el Link Trainer , el sistema que idearon tendría un modelo aerodinámico considerablemente más realista y 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 [5] realizó una breve encuesta que concluyó que tal sistema era posible. La Oficina de Investigación Naval de la Marina decidió financiar el desarrollo del Proyecto Whirlwind (y sus proyectos hermanos, Proyecto Typhoon y Proyecto Cyclone , con otras instituciones), [6] 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 tan grande que fuera 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. Una máquina de este tipo permitiría mejorar la precisión de las simulaciones añadiendo más código al programa informático , en lugar de añadir piezas a la máquina. Mientras la máquina fuera lo suficientemente rápida, no había límite teórico para la complejidad de la simulación.
Hasta ese momento, todas las computadoras construidas estaban dedicadas a tareas individuales y se ejecutaban en modo por lotes . Se preparó una serie de entradas y se introdujeron en la computadora, que elaboraría las respuestas y las imprimiría. Esto no era apropiado para el sistema Whirlwind, que necesitaba funcionar 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 complejidad que podía incluir la simulación.
En 1947, Forrester y su colaborador Robert Everett completaron el diseño de una computadora con programa almacenado de alta velocidad para esta tarea. La mayoría de las computadoras de la época operaban en modo de bits en serie , 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 era lo suficientemente rápido para sus propósitos, por lo que Whirlwind incluyó dieciséis de estas unidades matemáticas, operando en una palabra completa de 16 bits en cada ciclo en modo de bits paralelos . Haciendo caso omiso de la velocidad de la memoria, Whirlwind ("20.000 operaciones de dirección única por segundo" en 1951) [7] era esencialmente dieciséis veces más rápida que otras máquinas. Hoy en día, casi todas las CPU realizan operaciones aritméticas en modo "bit-paralelo".
El tamaño de las palabras se seleccionó después de cierta deliberación. La máquina funcionaba pasando una única dirección con casi todas las instrucciones, reduciendo así el número de accesos a la memoria. Para operaciones con dos operandos, por ejemplo la suma, se suponía que el "otro" operando era el último cargado. Whirlwind funcionaba de forma muy parecida a una calculadora de notación polaca inversa a este respecto; excepto que no había ninguna pila de operandos, solo un acumulador . Los diseñadores consideraron que 2048 palabras de memoria sería la cantidad mínima utilizable, requiriendo 11 bits para representar una dirección, y que de 16 a 32 instrucciones sería el mínimo para otros cinco bits, por lo que eran 16 bits. [8]
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. [ cita necesaria ] A principios de la década de 1950, Whirlwind I "se estrellaba cada 20 minutos en promedio". [9]
La construcción Whirlwind comenzó en 1948, un esfuerzo que empleó a 175 personas, incluidos 70 ingenieros y técnicos. El uso de la multiplicación por acarreo parece haberse introducido por primera vez en la computadora Whirlwind a finales de la década de 1940. [10] En el tercer trimestre de 1949, la computadora estaba lo suficientemente avanzada como para resolver una ecuación y mostrar su solución en un osciloscopio, [11] : 11.13 [12] e incluso para el primer juego gráfico de computadora animado e interactivo. [13] [14] Finalmente, Whirlwind "logró con éxito el cálculo digital de los cursos de interceptación" el 20 de abril de 1951. [15] [11] : 11.20–21 El presupuesto del proyecto fue de aproximadamente 1 millón de dólares al año, cifra muy superior al presupuesto de desarrollo. costos 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 interesó en el uso de computadoras para ayudar en la tarea de interceptación controlada desde tierra , y el Whirlwind era la única máquina adecuada para la tarea. Comenzaron el desarrollo bajo el Proyecto Claude .
Whirlwind pesaba 20.000 libras (10 toneladas cortas; 9,1 t) y ocupaba más de 2.000 pies cuadrados. [dieciséis]
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 constaba de 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 utilizada más tarde 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, remodelados en la forma de pulso correcta y enviados de regreso a la línea de retardo. Por tanto, se decía 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 en gran medida de la temperatura. Como 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 una posible memoria: 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". Se trataba de una memoria de tubo de rayos catódicos, similar en muchos aspectos a uno de los primeros tubos de imagen de televisión o a un tubo de osciloscopio . Un cañón de electrones envió un haz de electrones al otro extremo del tubo, donde impactaron contra una pantalla. El rayo se desviaría para aterrizar en un punto particular de la pantalla. Luego, el rayo podría acumular una carga negativa en ese punto o cambiar una carga que ya estaba allí. Midiendo la corriente del haz se podía determinar si el punto era originalmente cero o uno, y el haz podía almacenar un nuevo valor.
En 1949 existían varias formas de tubos de memoria electrostática. El más conocido hoy en día es el tubo Williams , desarrollado en Inglaterra, pero había otros que habían sido desarrollados de forma independiente por varios laboratorios de investigación. Los ingenieros de Whirlwind consideraron el tubo 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. . Se trataba de un tubo de electrones de doble cañón. Una pistola producía un rayo muy enfocado para leer o escribir bits individuales. La otra arma era una "pistola de inundación" que rociaba toda la pantalla con electrones de baja energía. Como resultado del diseño, este tubo era más bien una RAM estática que no requería ciclos de actualización, a diferencia del tubo de RAM dinámica Williams.
Al final, la elección de este tubo fue desafortunada. 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 si bien 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 pedían un tiempo de acceso de seis microsegundos, pero el tiempo de acceso real era de unos 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.
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 estaba fabricado con más de 30 tubos de vacío . Este "almacenamiento de prueba", como se lo conocía, estaba destinado a permitir el control de los elementos de procesamiento mientras la memoria principal no estaba lista. La memoria principal estaba tan retrasada 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 topó con un anuncio de un nuevo material magnético que estaba produciendo una empresa. Al darse cuenta de que esto tenía el potencial de ser un medio de almacenamiento de datos, Forrester consiguió una mesa de trabajo en un rincón del laboratorio y tomó 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, inventó los conceptos básicos de la memoria de núcleo magnético y demostró que probablemente era factible. Su demostración consistió en un pequeño plano central de 32 núcleos, cada uno de tres octavos de pulgada de diámetro. Una vez demostrado que el concepto era práctico, sólo había que reducirlo a un diseño viable. En el otoño de 1949, Forrester reclutó al estudiante graduado William N. Papian para probar docenas de núcleos individuales y determinar aquellos con las mejores propiedades. [11] El trabajo de Papian se vio reforzado cuando Forrester le pidió al estudiante Dudley Allen Buck [17] [18] [19] que trabajara en el material y lo asignó a la mesa de trabajo, mientras Forrester volvía a la gestión de proyectos de tiempo completo. (Buck inventaría el criotrón y la memoria direccionable por contenido en el laboratorio).
Después de aproximadamente dos años de investigación y desarrollo adicionales, pudieron demostrar un plano central formado por 32 por 32, o 1024 núcleos, que contenía 1024 bits de datos. De este modo, habían alcanzado el tamaño de almacenamiento previsto originalmente para un tubo electrostático, un objetivo que los propios tubos aún no habían alcanzado, ya 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 que se podría reasignar a otras áreas de investigación. Posteriormente se fabricaron dos unidades de memoria central adicionales, lo que aumentó el tamaño total de memoria disponible.
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 la falla de un solo tubo podría causar una falla del sistema. El pentodo estándar en ese momento era el 6AG7, pero las pruebas realizadas en 1948 determinaron que su vida útil esperada en servicio era demasiado corta para esta aplicación. En consecuencia, se eligió el 7AD7, pero este también tenía un índice de fallos en servicio demasiado alto. Una investigación sobre la causa de las fallas encontró que el silicio en la aleación de tungsteno del filamento calentador causaba envenenamiento del cátodo ; Los depósitos de ortosilicato de bario que se forman sobre el cátodo reducen o impiden su función de emisión de electrones . Sylvania desarrolló entonces el tubo 7AK7 con un filamento de tungsteno de alta pureza especialmente para Whirlwind . [20] : 59–60
El envenenamiento del cátodo es peor cuando el tubo se coloca en corte con el calentador encendido. Los tubos comerciales estaban destinados a aplicaciones de radio (y más tarde, televisión) donde rara vez se utilizan 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 total, pasando solo brevemente a través de la región lineal. Además, los fabricantes comerciales esperaban que sus tubos sólo se utilizaran unas pocas horas al día. [20] : 59 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 a los filamentos del calentador. [21] : 226
Ni siquiera estas medidas fueron suficientes para alcanzar la fiabilidad requerida. Las fallas incipientes se buscaron proactivamente probando las válvulas durante los períodos de mantenimiento. Fueron sometidos 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 detectar fallas tempranas en válvulas que de otro modo habrían fallado mientras estaban en servicio. Se llevaron a cabo automáticamente mediante un programa de prueba. [20] : 60–61 Las estadísticas de mantenimiento para 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. [20] : 61–62
Muchas otras características del régimen de pruebas de tubos Whirlwind no eran pruebas estándar y requerían equipos especialmente construidos. Una condición que requirió pruebas especiales fue el cortocircuito momentáneo en algunos tubos causado por objetos pequeños como pelusa dentro del tubo. Los pulsos cortos ocasionales son un problema menor, o incluso completamente imperceptibles, en los circuitos analógicos, pero probablemente 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. [21] : 225
Después de la conexión al radar experimental de alerta temprana por microondas (MEW) en Hanscom Field utilizando el equipo de Jack Harrington y líneas telefónicas comerciales, [22] aviones fueron rastreados por Whirlwind I. [23] Posteriormente, el sistema Cape Cod demostró una defensa aérea computarizada que cubría el sur de Nueva Inglaterra. . [ especifique ] Las señales de tres radares de largo alcance (AN/FPS-3), once radares de relleno de huecos 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 completado) fue la base para el sistema de defensa aérea SAGE IBM AN/FSQ-7 Combat Direction Central .
El Whirlwind utilizó aproximadamente 5.000 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 fabricar 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 lo abandonó a mitad del proyecto para fundar 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. [24]
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, William M. Wolf (1928-2015). La energía para hacer funcionar la máquina costaba 2500 dólares al mes, y Wolf Research and Development Corporation trabajó para la Fuerza Aérea y el Buckminster Fuller 's World Game . Al final, trasladar Whirlwind I costó 250.000 dólares y la empresa ganó 100.000 dólares con ello. Wolf R&D Corporation se vendió a EG&G en 1967 por 5,5 millones de dólares. [25] [26] [27]
Ken Olsen y Robert Everett salvaron la máquina, que se convirtió en la base del Museo de Computación de Boston en 1979. Aunque gran parte de la máquina se perdió cuando fue dada de baja, muchos de sus componentes se encuentran ahora en la colección del Museo de Historia de la Computación en Mountain View, California. y el Museo del MIT . [28]
En febrero de 2009, se exhibe una unidad de memoria central en el Museo de Industria e Innovación Charles River en Waltham, Massachusetts . Un plano de la memoria central, cedido por el Museo de Historia de la Computación , se muestra como parte de las exhibiciones de Ciencias de la Computación Históricas en el Edificio Gates de Ciencias de la Computación, Stanford .
El edificio que albergaba Whirlwind albergaba hasta hace poco el departamento de TI de todo el campus del MIT, Tecnología y Servicios de Información y, en 1997-1998, fue restaurado a su diseño exterior original. [29]
De estos, la velocidad es el factor menos importante desde un punto de vista histórico... las personas son un factor muy importante...
Ken Olsen
... Ben Gurley
La tasa de impulso básica para el funcionamiento de la computadora será de un megaciclo. […] Se está planificando la computadora Whirlwind I con una capacidad de almacenamiento de 2.048 números de 16 dígitos binarios cada uno.
esta vez para Wolf Research and Development Corporation de Boston. William M. Wolf, presidente de la corporación de Boston, cree que la máquina histórica puede aprovecharse de varias maneras.
42°21′42″N 71°5′48″O / 42.36167°N 71.09667°W / 42.36167; -71.09667