Torbellino I

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 , utilizando aritmética de un solo bit y procesando palabras grandes, a menudo de 48 o 60 bits, un bit a la vez. Esto simplemente no era lo suficientemente rápido para sus propósitos, por lo que Whirlwind incluyó dieciséis unidades matemáticas de este tipo, que operaban sobre una palabra completa de 16 bits en cada ciclo en modo paralelo de bits . Sin tener en cuenta la velocidad de la memoria, Whirlwind ("20 000 operaciones de una sola dirección por segundo" en 1951) ^{[ 8 ]} era esencialmente dieciséis veces más rápido que otras máquinas. Hoy en día, casi todas las CPU realizan aritmética en modo "paralelo de bits".

El tamaño de palabra se seleccionó tras cierta deliberación. La máquina funcionaba pasando una única dirección con casi todas las instrucciones, reduciendo así el número de accesos a memoria. Para operaciones con dos operandos, como la suma, se asumía que el otro operando era el último cargado. Whirlwind funcionaba de forma muy similar a una calculadora de notación polaca inversa en este aspecto; salvo que no tenía pila de operandos, sino solo un acumulador . Los diseñadores consideraron que 2048 palabras de memoria serían la cantidad mínima utilizable, requiriendo 11 bits para representar una dirección, y que entre 16 y 32 instrucciones serían el mínimo para otros cinco bits ; por lo tanto, fueron 16 bits. ^{[ 9 ]} 

El diseño de Whirlwind incorporaba un sistema de control accionado por un reloj maestro. Cada paso del reloj seleccionaba una o más líneas de señal en una matriz de diodos que activaban compuertas y otros circuitos de la máquina. Un interruptor especial dirigía las señales a diferentes partes de la matriz para implementar distintas instrucciones. A principios de la década de 1950, Whirlwind I "se bloqueaba cada 20 minutos en promedio". ^{[ 10 ]}

La construcción de Whirlwind comenzó en 1948, un proyecto que empleó a 175 personas, incluyendo 70 ingenieros y técnicos. El uso de la multiplicación con acarreo y guardado parece haber sido introducido por primera vez en la computadora Whirlwind a finales de la década de 1940. ^{[ 11 ]} En el tercer trimestre de 1949, la computadora estaba lo suficientemente avanzada como para resolver una ecuación y mostrar su solución en un osciloscopio. ^{[ 12 ] : 11.13 [ 13 ]} (Para 1953 se había desarrollado una demostración animada e interactiva de física de pelotas que rebotaban para la pantalla y luego evolucionó aún más en un juego simple. ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]} ) Finalmente Whirlwind "logró con éxito el cálculo digital de los cursos de intercepción" el 20 de abril de 1951. ^{[ 17 ] [ 12 ] : 11.20–21} El presupuesto del proyecto era de aproximadamente $1 millón al año, lo cual era muchísimo más alto que los costos de desarrollo de la mayoría de las otras computadoras de la época. Después de tres años, la Armada 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 Whirlwind era la única máquina adecuada para la tarea. Emprendieron el desarrollo bajo el Proyecto Claude .

Whirlwind pesaba 20 000 libras (10 toneladas cortas; 9,1 t) y ocupaba más de 2000 pies cuadrados ( ¹⁹⁰ m² ) . ^{[ 18 ]}  

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 almacenar tal cantidad de datos eran las líneas de retardo de mercurio y el almacenamiento electrostático .

Una línea de retardo de mercurio consistía en un tubo largo lleno de mercurio , un transductor mecánico en un extremo y un micrófono en el otro, muy similar a una unidad de reverberación de muelles utilizada posteriormente en el procesamiento de audio. Los pulsos se enviaban a la línea de retardo de mercurio por un extremo y tardaban un tiempo determinado en llegar al otro. Allí, el micrófono los detectaba, amplificaba, los transformaba en el pulso correcto y los devolvía a la línea de retardo. De este modo, se decía que la memoria recirculaba.

Las líneas de retardo de mercurio funcionaban a una velocidad cercana a la del sonido, por lo que resultaban muy lentas en términos informáticos, incluso para los estándares de las computadoras de finales de los años 40 y 50. La velocidad del sonido en el mercurio también dependía en gran medida de la temperatura. Dado que una línea de retardo almacenaba un número definido de bits, la frecuencia del reloj debía variar con la temperatura del mercurio. Si existían muchas líneas de retardo y no todas mantenían la misma temperatura en todo momento, los datos de la memoria podían corromperse fácilmente.

Los diseñadores de Whirlwind descartaron rápidamente la línea de retardo como posible sistema de memoria, ya que era demasiado lenta para el simulador de vuelo previsto y demasiado poco fiable para un sistema de producción reproducible, para el cual Whirlwind estaba concebido como 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 los primeros tubos de imagen de televisión o de osciloscopio . Un cañón de electrones enviaba un haz de electrones al extremo opuesto del tubo, donde impactaban en una pantalla. El haz se desviaba para aterrizar en un punto específico de la pantalla. En ese punto, el haz podía acumular una carga negativa o modificar una carga ya existente. Midiendo la corriente del haz, se podía determinar si el punto tenía originalmente una carga de cero o de uno, y el haz podía almacenar un nuevo valor.

En 1949 existían varios tipos de tubos de memoria electrostática. El más conocido hoy en día es el tubo Williams , desarrollado en Inglaterra, pero también había otros desarrollados independientemente por diversos laboratorios de investigación. Los ingenieros del 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 del Whirlwind I. En su lugar, optaron por un diseño que se estaba desarrollando en el Laboratorio de Radiación del MIT . Se trataba de un tubo de electrones de doble cañón. Un cañón producía un haz nítidamente enfocado para leer o escribir bits individuales. El otro cañón era un "cañón de inundación" que rociaba toda la pantalla con electrones de baja energía. Como resultado de este diseño, este tubo era más bien una RAM estática que no requería ciclos de actualización, a diferencia de la RAM dinámica del tubo Williams.

En definitiva, la elección de este tubo resultó desafortunada. El tubo Williams estaba considerablemente mejor desarrollado y, a pesar de requerir una frecuencia de actualización, podía almacenar fácilmente 1024  bits por tubo y era bastante fiable cuando se utilizaba correctamente. El tubo del MIT aún estaba en desarrollo y, si bien el objetivo era almacenar 1024  bits por tubo, este nunca se alcanzó, incluso varios años después de que el plan contemplara tubos funcionales de tamaño completo. Además, las especificaciones indicaban 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, el procesador en su conjunto era más lento de lo previsto.

Jay Forrester estaba desesperado por encontrar una memoria de reemplazo adecuada para su computadora. Inicialmente, la computadora solo tenía 32 palabras de almacenamiento, y 27 de estas palabras eran registros de solo lectura hechos con interruptores de palanca . Los cinco registros restantes eran de almacenamiento biestable , y cada uno de ellos estaba hecho con 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 se retrasó tanto que los primeros experimentos de seguimiento de aviones con datos de radar en tiempo real 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. Reconociendo 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 obtuvo varias muestras del material para experimentar con ellas. 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 fundamentos de la memoria de núcleo magnético y demostrado su viabilidad. Su demostración consistió en un pequeño plano de 32 núcleos, cada uno de tres octavos de pulgada de diámetro. Habiendo demostrado la practicidad del concepto, solo faltaba reducirlo a un diseño funcional. En el otoño de 1949, Forrester reclutó al estudiante de posgrado William N. Papian para que probara docenas de núcleos individuales y determinara aquellos con las mejores propiedades. ^{[ 12 ]} El trabajo de Papian se vio reforzado cuando Forrester le pidió al estudiante Dudley Allen Buck ^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]} que trabajara con el material y lo asignó al laboratorio, mientras Forrester volvía a la gestión de proyectos a tiempo completo. (Buck inventaría posteriormente el criotrón y la memoria direccionable por contenido en el laboratorio).

Tras aproximadamente dos años de investigación y desarrollo, lograron demostrar un plano central compuesto por 32 x 32, o 1024 núcleos, con capacidad para almacenar 1024 bits de datos. De esta forma, alcanzaron la capacidad de almacenamiento prevista inicialmente para un tubo electrostático, un objetivo que los propios tubos aún no habían logrado, ya que la última generación de diseño solo almacenaba 512 bits por tubo. Rápidamente, se fabricó una memoria de núcleo de 1024 palabras, que sustituyó a la memoria electrostática. El diseño y la producción de la memoria electrostática se cancelaron de inmediato, lo que permitió ahorrar una cantidad considerable de dinero que se destinó a otras áreas de investigación. Posteriormente, se fabricaron dos unidades de memoria de núcleo adicionales, aumentando así la capacidad total de memoria disponible.

El diseño utilizaba 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 podía provocar una falla del sistema. El pentodo estándar en ese momento era el 6AG7, pero las pruebas realizadas en 1948 determinaron que su vida útil prevista era demasiado corta para esta aplicación. En consecuencia, se eligió el 7AD7, pero este también tenía una tasa de fallas demasiado alta. Una investigación sobre la causa de las fallas reveló que el silicio en la aleación de tungsteno del filamento calefactor estaba causando envenenamiento del cátodo ; los depósitos de ortosilicato de bario que se formaban en el cátodo reducían o impedían su función de emisión de electrones . El tubo 7AK7 con un filamento de tungsteno de alta pureza fue desarrollado entonces especialmente para Whirlwind por Sylvania . ^{[ 22 ] : 59–60}

La intoxicación del cátodo es más grave cuando el tubo funciona en corte con el filamento encendido. Los tubos comerciales estaban diseñados para aplicaciones de radio (y posteriormente, de televisión), donde rara vez funcionan en este estado. Las aplicaciones analógicas como estas mantienen el tubo en la región lineal, mientras que las aplicaciones digitales conmutan el tubo entre corte y conducción completa, pasando solo brevemente por la región lineal. Además, los fabricantes comerciales esperaban que sus tubos solo se utilizaran durante unas pocas horas al día. ^{[ 22 ] : 59} Para mitigar este problema, los filamentos se apagaban en las válvulas que no se esperaba que conmutaran durante largos períodos. El voltaje del filamento se encendía y apagaba con una forma de onda de rampa lenta para evitar el choque térmico en los filamentos del filamento. ^{[ 23 ] : 226}

Incluso estas medidas no fueron suficientes para lograr la fiabilidad requerida. Se buscaban proactivamente fallos incipientes mediante pruebas de las válvulas durante los periodos de mantenimiento. Estas se sometían a pruebas de estrés denominadas pruebas marginales, ya que aplicaban voltajes y señales a las válvulas hasta sus márgenes de diseño. Estas pruebas estaban diseñadas para provocar fallos prematuros en válvulas que, de otro modo, habrían fallado durante su funcionamiento. Se realizaban automáticamente mediante un programa de pruebas. ^{[ 22 ] : 60–61} Las estadísticas de mantenimiento de 1950 demuestran el éxito de estas medidas. De los 1622 tubos 7AD7 en uso, fallaron 243, de los cuales 168 se detectaron mediante pruebas marginales. De los 1412 tubos 7AK7 en uso, fallaron 18, de los cuales solo 2 fallaron durante la comprobación marginal. Como resultado, Whirlwind era mucho más fiable que cualquier máquina disponible comercialmente. ^{[ 22 ] : 61–62}

Muchas otras características del régimen de prueba de tubos Whirlwind no eran pruebas estándar y requerían equipos especialmente diseñados. Una condición que requería pruebas especiales era el cortocircuito momentáneo en algunos tubos causado por objetos pequeños, como pelusa, en su interior. Los pulsos cortos espurios ocasionales son un problema menor, o incluso totalmente imperceptible, en circuitos analógicos, pero probablemente sean desastrosos en un circuito digital. Estos no aparecían en las pruebas estándar, pero podían descubrirse manualmente golpeando la envoltura de vidrio. Se construyó un circuito activado por tiratrón para automatizar esta prueba. ^{[ 23 ] : 225}