Кіріспе

MIT жасаған вакуумдық компьютер – MIT Servomechanisms Laboratory-де АҚШ Әскери-теңіз күштері үшін жасалған Суық соғыс кезеңінің вакуумдық компьютері. 1951 жылы қолданысқа енгізілген ол, шығыс мәліметтерін нақты уақыт режимінде беретін алғашқы цифрлық электрондық компьютерлердің бірі болды және бұрынғы механикалық жүйелердің электрондық ауыстыруы ғана емес, жаңа құрылымдық компьютер болды. Бұл компьютерлердің біріншілерінің бірі биттік қатарлы (биттік тізбекті емес) есептеулерді жүргізді және магниттік өзекті жадты алғаш рет пайдаланды. Оның дамуы тікелей АҚШ Әуе күштерінің SAGE әуе қорғаныс жүйесінің негізі болған Whirlwind II жобасына әкелді, сондай-ақ 1960 жылдардағы көптеген бизнес-компьютерлер мен мини-компьютерлерге ықпал етті, әсіресе "қысқа сөз ұзындығы, жылдамдық, адамдар" қағидасының таралуына себеп болды.

Өмірбаян

Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде АҚШ Әскери-теңіз күштерінің Әскери-теңіз зерттеу зертханасы MIT-ге бомбалаушы экипаждарын даярлау үшін ұшу симуляторын басқаруға арналған компьютер жасау мүмкіндігі туралы хабарласты. Олар ұшқыштардың басқару кірістеріне сәйкес аспаптар панелін үздіксіз жаңартатын салыстырмалы түрде қарапайым жүйені көздеді. Link Trainer сияқты бұрынғы жүйелерден өзгеше, олар ұсынып отырған жүйе кез келген типтегі ұшаққа бейімделетін әлдеқайда реалистік аэродинамикалық модельге ие болар еді. Көптеген жаңа конструкциялар пайдалануға енгізіліп жатқан сол кезде бұл маңызды мәселе болды. MIT ғимараты 32-дегі Сервомеханизмдер зертханасы мұндай жүйенің мүмкін екенін көрсеткен қысқаша сараптама жүргізді. Әскери-теңіз күштерінің ғылыми-зерттеу бюросы "Вирлинд" жобасын (және оның серік жобаларын, "Тайфун" және "Циклон" жобаларын, басқа мекемелермен бірлесе) дамытуға қаржы бөлуге шешім қабылдады және осы жобаны басқаруды Джей Форрестерге тапсырды. Олар бұл міндетті орындау үшін үлкен аналогтық компьютер құрды, бірақ ол дәл емес және икемсіз екенін анықтады. Бұл мәселелерді жалпылай шешу үшін әлдеқайда ірі жүйе қажет болатын, мүмкін, оны құру мүмкін емес еді. Джуди Клэпп осы команданың алғашқы аға техник-маманы болды. MIT командасының тағы бір мүшесі Перри Кроуфорд 1945 жылы ENIAC-тың көрсетілімін көрді. Ол содан кейін цифрлық компьютердің ең жақсы шешім болатынын ұсынды. Мұндай машина компьютерлік бағдарламаға көбірек код қосу арқылы симуляциялардың дәлдігін арттыруға мүмкіндік берер еді, машинаға қосымша бөліктер қосудың орнына. Машина жеткілікті жылдам болған жағдайда, симуляцияның күрделілігіне теориялық шек болмас еді. Осы уақытқа дейін құрылған барлық компьютерлер жекелеген міндеттерге арналған және партиялық режимде жұмыс істеді. Кіріс деректері алдын ала дайындалып, компьютерге берілді, ол жауаптарды есептеп, басып шығарды. Бұл Whirlwind жүйесіне қолайлы емес еді, себебі ол үнемі өзгеріп отыратын кіріс деректерінің тізбегімен үздіксіз жұмыс істеуі керек еді. Жылдамдық маңызды мәселе болды: басқа жүйелерде бұл жай ғана басып шығару үшін ұзақ күтуді білдірсе, Whirlwind үшін бұл симуляцияның күрделілігін айтарлықтай шектеуді білдірді.

Дизайн және құрылыс

1947 жылы Форрестер және оның әріптесі Роберт Эверетт осы міндетті орындау үшін жоғары жылдамдықты сақталатын бағдарламалық компьютердің жобасын аяқтады. Көптеген дәуірдегі компьютерлер біттік тізбекті режимде жұмыс істеді, бір біттік арифметиканы пайдаланып, көбінесе 48 немесе 60 бит көлеміндегі үлкен сөздерді бір уақытта бір біттен енгізді. Бұл олардың мақсаттары үшін жеткілікті жылдам болған жоқ, сондықтан Whirlwind біттік параллельді режимде толық 16 биттік сөзбен жұмыс істейтін он алты мұндай математикалық блоктарды қамтыды. Жады жылдамдығын ескермесек, Whirlwind (1951 жылы секунд сайын 20 000 бір мекенжайлық операция) басқа машиналардан 16 есе жылдам болды. Бүгінде дерлік барлық процессорлар арифметикалық амалдарды «біттік параллельді» режимде орындайды. Сөздің көлемі бірқатар ойлар салғаннан кейін таңдалды. Машина әрбір командамен бір мекенжайды жіберу арқылы жұмыс істеді, осылайша жадқа қол жеткізу санын азайтты. Екі аргументі бар операциялар үшін, мысалы, қосу үшін, «екінші» аргумент соңғы жүктелгені деп есептелді. Бұл жағынан Whirlwind кері польшалық нотация калькуляторы сияқты жұмыс істеді; айырмашылығы, операторлар стегі болған жоқ, тек аккумулятор ғана болды. Дизайнерлер 2048 сөздік жадтың ең аз пайдалы көлемі екенін сезінді, мекенжайды көрсету үшін 11 бит, ал тағы бес битпен 16-32 команда қажет болды – сондықтан ол 16 битті құрады. Whirlwind жобасында басқару блогы болды, ол бас сағатпен басқарылды. Сағаттың әрбір қадамы диодтық матрицадағы бір немесе бірнеше сигналдық желілерді таңдап, машинадағы қақпалар мен басқа да тізбектерді қосатын болды. Арнайы коммутатор әртүрлі командаларды орындау үшін сигналдарды матрицаның әртүрлі бөліктеріне бағыттады. 1950-жылдардың басында Whirlwind I шамамен әр 20 минут сайын «істен шығып» отырды. Whirlwind құрылысы 1948 жылы басталды, бұл жұмысқа 175 адам, оның ішінде 70 инженер мен техник қатысты. Көбейтуді сақтау әдісі алғаш рет 1940-жылдардың соңында Whirlwind компьютерінде пайда болған сияқты. 1949 жылдың үшінші тоқсанында компьютер теңдеуді шешіп, оның шешімін осциллографта көрсетуге, тіпті алғашқы анимациялық және интерактивті компьютерлік графикалық ойынға жеткілікті болды. Соңында, 1951 жылдың 20 сәуірінде Whirlwind «көрсету бағыттарын цифрлық есептеуді сәтті орындады».

Жады жүйелік бөлігі

Бастапқы машинаның дизайны 16 биттік 2048 (2К) сөзді, кездейсоқ қолжетімділікпен сақталатындай етіп жоспарланған. 1949 жылы осы көлемдегі деректерді сақтай алатын екі ғана жад технологиясы болды: сынаптық кешіктіру желілері және электростатикалық жад. Сынаптық кешіктіру желісі – ұзын түтік, бір жағында механикалық түрлендіргіш, екінші жағында микрофон, ал бұл аудио өңдеуде кейінірек қолданылатын серіппелі ревербераторға ұқсас. Импульстар түтіктің бір жағынан жіберіліп, екінші жағына жету үшін белгілі бір уақыт қажет болды. Микрофон оларды анықтап, күшейтетін, импульстың пішінін дұрыстап түзетіп, кешіктіру желісіне қайтаратын. Осылайша, жад айналып тұратын сипатқа ие болды. Сынаптық кешіктіру желілері дыбыс жылдамдығымен жұмыс істеді, сондықтан 1940-1950 жылдардағы компьютерлер стандартымен салыстырғанда да компьютерлік тұрғыдан өте баяу болды. Сынаптағы дыбыс жылдамдығы температураға өте сезімтал болды. Бір кешіктіру желісі белгілі бір мөлшерде биттерді сақтағандықтан, сағаттың жиілігі сынаптың температурасына қарай өзгеруі керек еді. Егер көптеген кешіктіру желілері болса және олардың температурасы әрқашан бірдей болмаса, жад деректері оңай бұзылуы мүмкін еді. Whirlwind жасаушылары кешіктіру желісін жад ретінде қарастырудан бас тартты – ол ұшқышты симулятор үшін тым баяу болды, ал Whirlwind функционалдық прототип ретінде жасалғандықтан, қайта өндірілетін жүйе үшін тым сенімсіз болды. Жадының баламалы түрі "электростатикалық" деп аталды. Бұл катодты сәулелі түтікшелік жад, ол көп жағынан ертедегі теледидар экранына немесе осциллограф түтікшесіне ұқсас. Электрондық қару түтіктің соңына электронды сәулені жіберіп, экранға түсіретін. Сәуле экранның белгілі бір нүктесіне бағытталады. Сәуле сол жерде теріс зарядты жинақтай алатын немесе бұрыннан бар зарядты өзгерте алатын. Сәуленің тогын өлшеу арқылы нүктенің бастапқыда нөл немесе бір екенін анықтауға болады, ал сәуле арқылы жаңа мәнді сақтауға болады. 1949 жылы электростатикалық жад түтіктерінің бірнеше түрі болды. Бүгінде ең танымал – Англияда жасалған Уильямс түтігі, бірақ түрлі зертханаларда тәуелсіз түрде жасалған басқа да көптеген түрлері болды. Whirlwind инженерлері Уильямс түтігін қарастырды, бірақ сақтаудың динамикалық сипаты мен жиі жаңарту циклдерінің қажеттілігі Whirlwind I жобалау мақсаттарына сәйкес келмейтінін анықтады. Оның орнына олар MIT радиациялық зертханасында әзірленген жобаны таңдады. Бұл екі қаруы бар электронды түтік. Бір қару жеке биттерді оқу немесе жазу үшін өткір бағытталған сәуле шығарды. Екінші қару – "толу қаруы", ол бүкіл экранды төмен энергиялы электрондармен бүркіп тұрды. Бұл конструкцияның арқасында түтік динамикалық RAM Williams түтігінен айырмашылығы, жаңарту циклдарын қажет етпейтін статикалық RAM-ға көбірек ұқсады. Алайда, бұл түтікті таңдау өкінішті болды. Уильямс түтігі әлдеқайда жақсы дамыған, және жаңарту қажеттілігіне қарамастан, түтікке 1024 бит оңай сыйып, дұрыс жұмыс істегенде өте сенімді болды. MIT түтігі әлі де әзірленуде еді, және мақсат бір түтікке 1024 бит сақтауға мүмкіндік беру болғанмен, бұл мақсатқа ешқашан қол жеткізілмеді, тіпті жоспар толық көлемді функционалдық түтіктерді талап еткеннен кейін де бірнеше жыл өткен соң. Сонымен қатар, техникалық сипаттамада алты микросекундтық қолжетімділік уақыты көрсетілген, бірақ нақты қолжетімділік уақыты шамамен 30 микросекундты құрады. Whirlwind I процессордың негізгі цикл уақыты жадқа қолжетімділік уақытымен анықталғандықтан, процессор жоспарланғаннан баяу жұмыс істеді.

Магниттік ядролы жады

Джей Форрестер компьютері үшін қолайлы жадты ауыстырудың жолын іздеді. Бастапқыда компьютерде тек 32 сөз сақтауға орын болды, ал осы сөздердің 27-сі ауыстырғыштары бар регистрлерден құралған, тек оқуға арналған жад еді. Қалған бес регистр флип-флоп жадынан тұрды, әрбір бес регистр 30-дан астам вакуумдық түтікшеден жасалған. Бұл "тесттік жад" деп аталды, ол негізгі жад дайын болмаған кезде процессорлық элементтерді тексеруге мүмкіндік беруді мақсат етті. Негізгі жадтың кешігуіне байланысты, тікелей радар деректерін пайдаланып ұшақтарды қадағалау бойынша алғашқы тәжірибелер тесттік жадқа қолмен енгізілген бағдарлама арқылы жүзеге асырылды. Форрестер бір компанияның жаңа магниттік материал өндірілетіні туралы жарнамасын кездестірді. Бұл материалдың деректерді сақтау ортасы бола алатынын түсінген Форрестер зертхана бұрышында жұмыс үстелін құрып, материалдың бірнеше үлгісін алып, тәжірибелер жасады. Содан кейін бірнеше ай бойы ол кеңседе жобаны басқарумен қатар зертханада да көп уақыт өткізді. Осы айлардың соңында ол магниттік ядролық жадтың негіздерін ойлап тапты және оның іске асырылуы мүмкін екенін көрсетті. Оның демонстрациясы үш сегізден бір дюйм диаметріндегі 32 ядродан тұратын кішкентай ядролық жазықтықтан құралды. Концепцияның практикалық екенін көрсеткеннен кейін, оны жұмысқа жарамды дизайнға дейін жеткізу қажет болды. 1949 жылдың күзінде Форрестер аспирант Уильям Н. Папианды ондаған жеке ядроларды сынап, ең жақсы қасиеттері барларын анықтауға шақырды. Папианның жұмысы Форрестер студент Дэдли Аллен Бактан материалды зерттеуді сұрап, оны жұмыс үстеліне бекіткен кезде күшейді, ал Форрестер толық уақытты жобаны басқаруға қайта оралды. (Бак кейіннен зертханада криотронды және мазмұнға сәйкес жадты ойлап тапты.) Шамамен екі жылдық қосымша зерттеулер мен әзірлемелерден кейін, олар 32х32, яғни 1024 ядродан тұратын ядролық жазықтықты көрсетуге қол жеткізді, ол 1024 бит дерек сақтады. Осылайша, олар бастапқы мақсат етілген электростатикалық түтіктің сақтау көлеміне жетті, түтіктердің өзі әлі бұл мақсатқа жете алмады, соңғы дизайн буынында түтіктер 512 бит сақтады. Көп ұзамай 1024 сөздік ядролық жад жасалды, ол электростатикалық жадты алмастырды. Электростатикалық жадтың дизайны мен өндірісі дереу тоқтатылды, бұл басқа зерттеу салаларына қайта бағыттауға мүмкіндік берді. Кейіннен екі қосымша ядролық жад блогы жасалып, жалпы жад көлемі ұлғайтылды.

Вакуум түтіктері

Бұл жобада шамамен 5000 вакуумдық түтік қолданылды. Whirlwind жүйесінде пайдаланылған көптеген түтіктердің үлкен саны мәселі тудырды, себебі бір түтіктің істен шығуы жүйенің тоқтауына себеп болуы мүмкін. Сол кездегі стандартты пентод – 6АГ7 еді, бірақ 1948 жылы жасалған сынақтар оның осы мақсат үшін қызмет ету мерзімінің тым қысқа екенін көрсетті. Осының салдарынан 7AD7 түтігі таңдалды, бірақ оның да істен шығу жиілігі жоғары болды. Істен шығу себептерін зерттеу барысында, қыздырғыш спиралінің вольфрам қорытпасындағы кремний катодты улайтыны анықталды; катодта барий ортосиликатының шөгінділері пайда болып, электрондарды бөліп шығару қабілетін азайтады немесе тоқтатып тастады. Осы мәселені шешу үшін Sylvania компаниясы Whirlwind үшін арнайы жоғары таза вольфрам спиралі бар 7AK7 түтігін жасады. Катодты улану түтік тоқтатылған күйде, қыздырғыш қосылғанда ең нашар болады. Кәдімгі түтіктер радио (кейін теледидар) үшін жасалған, онда олар сирек осы күйде жұмыс істейді. Аналогтық қолданыстар түтікті сызықтық аймақта ұстайды, ал цифрлық қолданыстар түтікті сызықтық аймақтан өте қысқа уақытқа ғана өтіп, тоқтатылған және толық өткізгіштік арасында ауыстырады. Сонымен қатар, коммерциялық өндірушілер өз түтіктерін күніне бірнеше сағат қана пайдалануды күткен. Мұның өзі жеткіліксіз болды, сондықтан қажетті сенімділікке қол жеткізуге болмады. Техникалық қызмет көрсету кезінде клапандарды сынау арқылы бастапқы ақаулар ізделді. Оларға шекті сынақтар жүргізілді, себебі олар клапандарға жобалық шектеріне дейін кернеу мен сигналдар берді. Бұл сынақтардың мақсаты – қызмет кезінде істен шығуы мүмкін клапандардың ертерек істен шығуын қамтамасыз ету болды. Сынақтар автоматты түрде тест бағдарламасы арқылы орындалды. Whirlwind I жүйесі ұшақтардың қозғалысын бақылады. Кейіннен Кейп-Код жүйесі Оңтүстік Жаңа Англияны қамтитын компьютерлік әуе қорғанысын көрсетті. Үш ұзақ қашықтықтағы (AN/FPS 3) радарлардың, он бір аралықты толтырушы радарлардың және үш биіктік анықтағыш радарлардың сигналдары телефон желілері арқылы Массачусетс штатының Кембридж қаласындағы Whirlwind I компьютеріне жіберілді. Whirlwind II жобасы, үлкен және жылдам машинаны жасауға бағытталған (бірақ аяқталмаған), SAGE әуе қорғаныс жүйесінің IBM AN/FSQ 7 Combat Direction Central негізі болды.

Мұра

"Шыбыр" шамамен 5000 вакуумдық түтікше қолданды. Сонымен қатар, Кен Олсен басшылығымен "Шыбыр" дизайнын транзисторлық формаға түрлендіруге күш-жігер жұмсалды, бұл TX 0 деп аталды. TX 0 өте табысты болды және TX 1 деп аталатын одан да үлкен нұсқа жасау жоспарланды. Дегенмен, бұл жоба тым амбициялы болды және TX 2 деп аталатын кішірек нұсқаға дейін қысқартылуы керек болды. Бұл нұсқа да қиындықтар тудырды, содан кейін Олсен жобаның ортасында Digital Equipment Corporation (DEC) компаниясын құру үшін кетіп қалды. DEC-тің PDP 1 негізінен TX 0 және TX 2 тұжырымдамаларының жиынтығынан, кішірек форматта тұрды. SAGE жүйесін қолдағаннан кейін, Whirlwind I 1959 жылдың 30 маусымынан 1974 жылға дейін жоба мүшесі Уильям М. Вольф (1928-2015) тарапынан жылдық 1 долларға жалға алынды. Машинаны іске қосуға айына 2500 доллар жұмсалды, ал "Вольф" зерттеу және даму корпорациясы Әуе күштері және Бакминстер Фуллердің "Әлемдік ойын" жобасы үшін жұмыс істеді. Ақырында Whirlwind I-ді көшіруге 250 000 доллар жұмсалды, ал компания 100 000 доллар пайда тапты. Wolf R&D Corporation 1967 жылы EG&G компаниясына 5,5 миллион долларға сатылды. Кен Олсен мен Роберт Эверетт машинаны сақтап қалды, ол 1979 жылы Бостон компьютерлік мұражайының негізіне айналды. Машинаның көп бөлігі қолданыстан шығарылғаннан кейін жоғалған болса да, оның көптеген компоненттері қазір Калифорния штатының Маунтин-Вью қаласындағы Компьютер тарихы мұражайының және MIT мұражайының қорында сақталады. 2009 жылдың ақпан айынан бастап, ядролық жад блогы Массачусетс штатының Уолтем қаласындағы Чарльз Ривер индустрия және инновация мұражайында қойылған. Компьютер тарихы мұражайынан алынған ядролық жадтың бір жазықтығы Стэнфордтағы Гейтс компьютерлік ғылым ғимаратында тарихи компьютерлік ғылым экспонаттарының бөлігі ретінде көрсетіледі. "Шыбыр" орналасқан ғимарат жақында MIT кампусының бүкіл кампустық ақпараттық технологиялар бөлімі, Ақпараттық қызметтер және технологиялар бөліміне тиесілі болды және 1997-1998 жылдары ол бастапқы сыртқы дизайнына қайта жаңартылды.