Предыстория создания ламповых ЭВМ — Whirlwind («Вихрь»)

В 1943-1944 возникла потребность в разработке универсально тренажера, который смог бы в режиме реального времени имитировать полет самолета. Это дало бы возможность пилотам улучшать свои навыки, конструкторам же изучить влияние изменений в возможных тактико-технических характеристиках новых моделей. До этого времени существовали такие симуляторы (на базе аналоговой электромеханической техники), но они не были универсальными, то есть подходили только для определенной конструкции летательного аппарата.



Создание универсального симулятора помогло бы сэкономить на конструировании и тренингах.

Mассачусетский технологический институт стал одним из центров, где совершенствовались американские системы противовоздушной обороны. В конце 1944 в MIT начались работы по созданию такого тренажера, исполнителем проекта стала Лаборатория сервомеханизмов. Джей Форрестер возглавил проект ASCA, помощником стал магистр электротехники Роберт Райверс Эверетт.


симулятор самолета

Вместе с группой сотрудников они полгода трудились над созданием электромеханического аналогового симулятора. Электронная аналоговая техника в реальном времени давала низкую точность вычислений, не была способна решить одновременно сотню или более дифференциальных уравнений со многими переменными, а, следовательно, не соответствовала ТЗ заказчика, да и простые операции требовали длительной возни с перфокартами или перфолентами.




Нужно было искать новое решение задачи.

Рождению цифровой ВТ машины во многом способствовал Перри О. Кроуфорд, коллега Форрестера "… он рассказал мне о гарвардской машине Mark I и об ENIAC’е, который находился еще в стадии проектирования. Перри был очень открытым, лишенным бюрократических замашек человеком и запросто общался с флотскими начальниками, хотя сам был штатским. Он внушил им мысль, что цифровые вычислительные машины в будущем должны использоваться на командных пунктах в качестве основы информационных и управленческих систем… Ему мы во многом обязаны рождением нашей машины".

Началась работа над созданием машины, которой дали название «Вихрь», чтобы подчеркнуть ее быстродействие. Сотрудники занялись разработкой эскизного варианта цифровой машины (заказчик не был уведомлен о таком повороте событий). Форрестер и Эверетт ознакомились с структурой Mark I и ENIAC, проконсультировались с их разработчиками, изучили «Первый вариант отчета об EDVAC» (Неймана) и начали «лепить» машину с нуля.

В 1945 году Форрестер обратился к руководителям SDD. Он предлагал им создать симулятор уже не на грубых аналоговых вычислительных устройствах, а на базе цифровой вычислительной машины. Предстояла сложная работа над созданием ЭВМ, которая смогла бы работать в реальном времени.

Требовалось увеличить ее быстродействие до 20-50 тысяч операций в секунду, использовать надежную внутреннюю память большой емкости, создать ПО для обработки поступающего потока данных, повысить надежность машины. Главная сложность заключалась в том, что заняться этим вопросом должны были люди не имевшие опыта в работе с цифровыми ЭВМ.

Началась работа над созданием внутренней памяти, которая удовлетворила бы требования проекта, а для этого нужно было повысить надежность ламповых дискретных цепей. Основная память компьютера EDVAC, которая состояла из 32 ртутных ультразвуковых линий задержки (РУЛЗ), не подходила для нового проекта из-за медлительности. Форрестер пробовал применить для хранения одного разряда газонаполненные лампы (“неонки”) и ксеноновые лампы-вспышки (xenon flash lamp). В начале 1947 года английские ученые для создании внутренней памяти начали использовать стандартную электронно-лучевую трубку (ЭЛТ), она давала возможность хранения на ее экране и считывания с него одного двоичного разряда. Четыре года сотрудники MIT трудились над конструкцией трубки, был стабилизирован диаметр и однородность пятна на экране трубки, улучшена фокусировка, для периодической регенерации электростатического заряда использовалась дополнительная электронно-лучевая пушка.


РУЛЗ

Велась работа над увеличением надежности ламповых цепей. До этого времени (как известно) в ламповых машинах использовались тысячи ламп, но «жизнедеятельность» такой лампы составляла 500 часов, а это привело бы к тому, что каждые пару минут происходил бы сбой в работе машины. Было увеличено срок службы ламп. В 1947 году было разработано множительное устройство, которое содержало 4 сотни ламп, для перемножения двух 5-разрядных двоичных чисел. Эверетт писал "… устройство работало непрерывно в течение многих дней, и каждый полученный результат мы сверяли с правильным ответом. Конечно, оно давало сбои, но мы заметили, что они в большинстве случаев приходятся на 3 часа пополудни. Выяснилось, что в это время уборщик в соседнем подъезде здания включал грузовой лифт и возникала дополнительная нагрузка на местную электросеть, это и приводило к сбоям. Было решено для питания машины использовать отдельную систему “мотор — генератор”, инерционность которой обеспечивала защиту от пиков напряжения, возникающих при подключении дополнительного оборудования…"



Позже возникла еще одна проблема, которая требовала решения. Поменялся спонсор (OSRD и SDD перестали существовать, а они финансировали этот проект), еще постоянно увеличивалась стоимость проекта разработки такой ЭВМ. «Вихрь» планировалось создать за два года, с бюджетом в 875 тысяч долларов, но стоимость проекта возросла до 3 млн долларов (что составляло 65% от всего бюджета математического отделения). Чтобы оправдать такой расход средств Форрестер подготовил доклад для Пентагона, в котором расписал где могла бы использоваться такая управляющая ЭВМ. Но все же вместо запрашиваемых 1,5 млн долларов на год для проекта, Форрестеру и его проекту было выделено всего 250 тысяч долларов. Проект спас новый спонсор — ВВС США (произошло это в 1949 году, когда американцы узнали о том что в СССР была испытана атомная бомба). Проект создания ЭВМ «Вихрь» был одобрен Пентагоном и выделена необходимая сумма на его завершение. В марте 1951 года машина была полностью собрана, отлажена и выполнила первую большую программу, написанную на ассемблере Джоном Гилмором, в апреле того же года введена в эксплуатацию, а Форрестер возглавил созданную лаборатория цифровой вычислительной техники в МIT.

ЭВМ «Вихрь»

На разработку ушло почти 5 миллионов долларов, в основе была классическая принстонская архитектура, но для обмена информацией между блоками машины применялась общая шина. Диодная матрица использовалась для управления последовательностью операций в ЭВМ, сигналы от генератора тактовых импульсов поступали на определенные входы матрицы, и при этом ее выходные сигналы открывали ключи, с помощью которых выбирался код нужной команды, поступавший в соответствующий регистр устройства управления. Длина машинного слова ограничивалась 16 двоичными разрядами, сюда был включен знак числа с фиксированной запятой, подпрограммы для работы с числами с плавающей запятой и словом двойной длины.

В машине размещались 5000 ламп (в основном пентодов), 11 тысяч кристаллических диодов, она потребляла 150 кВт энергии, вес такой ЭВМ — 10 тонн, занимаемая площадь почти 950 кв. м.

Вихрь была одноадресной, синхронного действия с тактовой частотой 1 МГц, машиной c внутренней памятью, которая содержала 32 модифицированные трубки Уильямса емкостью 1К слов. Группа 32-разрядных регистров, построенных на механических ключах и 5 электронных регистров служили для проверки работоспособности памяти.

Перфолента и считывающее устройство служили для ввода данных и программ в ЭВМ. ЭЛТ диаметром 40 см служил дисплеем. Данные вводились в машину на ленте, перфорируемой флексорайтером. А результаты высвечивались на экране ЭЛТ или выводились на тот же флексорайтер.
Электронно-лучевая трубка была подобна телевизионной, большая электронно-вакуумная трубка, в которой пучок электронов, попадая на покрытую фосфором внутреннюю поверхность экрана, вызывал его свечение. Быстродействие машины составляло 20 тысяч операций в секунду, операция сложения выполнялась за 49 мкс, а умножения за 61 мкс.

ЭВМ «Вихрь» модернизировалась и количество ламп увеличилось до 12,5 тысяч, а диодов — до 23,8 тысяч, занимала машина два этажа в одном из зданий МIT. На одном находились накопители на магнитной ленте и и устройства связи с объектами. Часть машины, внутренняя память и пульт управления расположились на другом, в подвальном помещении находился питающий агрегат (мощность 150 кВт), на крыше здания был смонтирован кондиционер.

Содержание памяти ЭВМ обходилось в 32 тысячи долларов ежемесячно (одна трубка стоила порядка 1000 долларов), поэтому Форрестер искал замену ЭЛТ. В 1951 году был создан первый образец памяти на ферритовых сердечниках, которая через два года заменила память на ЭЛТ. Быстродействие ЭВМ возросло в два раза, операция сложения занимала 8 мкс., умножения -25,5 мкс., деления — 57 мкс.


память на ферритовых сердечниках

Внешними запоминающими устройствами теперь служили пять накопителей на магнитной ленте (емкостью 125 тысяч слов каждый и скоростью считывания 390 слов в секунду) и два накопителя на магнитных барабанах (емкостью 2048 слов и частотой вращения 60 об/с, быстродействие операций записи/считывания — 31 тысяч слов в секунду).

Для воспроизведения на люминесцентном экране букв, цифр, топографических знаков и других символов использовались трубки Charactron ( как дисплеи). Непрозрачная пластинка с набором микроотверстий в виде изображаемых символов служила трафаретом, с помощью которого символы формировались на экране. ПО машины позволяла ЭВМ решать одновременно несколько задач, работая в режиме разделения времени.

Метод прямого доступа к памяти (DMA): входные данные обновлялись каждые 15 секунд и записывались на отдельную дорожку одного из накопителей на магнитных барабанах, после чего блоком передавались во внутреннюю память (процесс вычислений был непрерывен).

Вихрь стал прообразом целого ряда компьютеров, которые позволили создать мощную систему противовоздушной обороны США «SAGE» -полуавтоматическая система, которая способна одновременно обрабатывать данные, поступающие из 23 региональных центров США и Канады, при этом обслуживать гигантскую сеть радиолокаторов и других детекторов.



Выглядело это так: оператор в каждом районном центре вводил данные на клавиатуре, смотря на круглые экраны, где отображались погодные условия, траектория движения самолетов, информация необходимая для работы системы ПВО. Устройства ввода-вывода системы SAGE поддерживали по телефонным линиям непрерывную связь между соседними центрам. На создание SAGE было потрачено порядка 8-12 млрд. долларов.


рабочее место оператора первой системы национальной ПВО США – SAGE

Работа над проектом «Вихрь» подарила бесценный опыт его создателям и разработчикам. Многие из них заняли руководящие должности во многих известных компаниях: Кеннет Олсен основал в 1957 году корпорацию Digital Equipment (DEC) — занималась производством мини-компьютеров.

Сам Форрестер оставался руководителем отделения еще до 1956 года, позже посвятил себя исследованиям динамики производственных, а также мировых социальных и экономических процессов и стал основоположником новой дисциплины — системной динамики. Эверетт и Форрестер были награждены Национальной медалью за достижения в технике, высшей правительственной наградой для инженеров Соединенных Штатов.