旋風 I

1947年までに、フォレスターと共同研究者のロバート・エベレットは、この目的のために高速なプログラム内蔵型コンピュータの設計を完成させた。当時のほとんどのコンピュータはビットシリアルモードで動作し、シングルビット演算を使用して、48ビットまたは60ビットのサイズの大きなワードを一度に1ビットずつ入力していた。これは彼らの目的には十分な速度ではなかったため、Whirlwindには16個の演算ユニットが搭載され、ビット並列モードで毎サイクル16ビットのワード全体を処理した。メモリ速度を無視すれば、Whirlwind（1951年当時「毎秒20,000回の単一アドレス演算」）^{[ 8 ]}は、実質的に他のマシンの16倍の速度だった。今日では、ほとんどすべてのCPUが「ビット並列」モードで演算を実行している。

ワードサイズは熟慮の末に決定された。このマシンは、ほぼすべての命令で単一のアドレスを渡すことで動作し、メモリへのアクセス回数を削減した。例えば加算のように、2 つのオペランドを持つ演算では、「もう 1 つの」オペランドは最後にロードされたものとみなされた。この点において、Whirlwind は逆ポーランド記法の計算機とよく似た動作をした。ただし、オペランドスタックはなく、アキュムレータのみであった。設計者たちは、2048 ワードのメモリが使用可能な最小量であり、アドレスを表すのに 11 ビットが必要であり、さらに 5 ビットには 16 ～ 32 命令が最小量であると考え、 16 ビットとした。^{[ 9 ]}

Whirlwind の設計には、マスター クロックによって駆動される制御ストアが組み込まれていました。クロックの各ステップで、マシン上のゲートやその他の回路を有効にするダイオード マトリックス内の 1 つ以上の信号線が選択されました。特別なスイッチによって、異なる命令を実行するために、信号がマトリックスの異なる部分に送られました。1950 年代初頭、Whirlwind I は「平均して 20 分ごとにクラッシュした」とのことです。^{[ 10 ]}

Whirlwind の建設は 1948 年に始まり、70 人のエンジニアと技術者を含む 175 人が従事しました。キャリーセーブ乗算の使用は、1940 年代後半に Whirlwind コンピュータで初めて導入されたようです。^{[ 11 ]} 1949 年の第 3 四半期には、コンピュータは方程式を解いてその解をオシロスコープに表示できるほど進歩しました。^{[ 12 ] : 11.13 [ 13 ]} (1953 年までに、アニメーション化されたインタラクティブな跳ねるボールの物理デモンストレーションがディスプレイ用に開発され、その後さらにシンプルなゲームへと発展した。^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]} ) 最終的に、Whirlwind は 1951 年 4 月 20 日に「迎撃コースのデジタル計算を成功裏に完了」した。 ^{[ 17 ] [ 12 ] : 11.20–21}このプロジェクトの予算は年間約 100 万ドルで、これは当時の他のほとんどのコンピュータの開発コストよりもはるかに高額だった。3 年後、海軍は興味を失った。しかし、この間に空軍は地上管制迎撃の任務を支援するためにコンピュータを使用することに興味を持ち、Whirlwind はその任務に適した唯一のマシンだった。彼らはプロジェクト Claudeの下で開発を引き継いだ。

ワールウィンドは20,000ポンド（10ショートトン、9.1トン）の重さがあり、2,000平方フィート（190^平方メートル）以上の面積を占めていた。^{[ 18 ]}  

当初の機械設計では、16ビットのランダムアクセス記憶装置を2048ワード（2K）必要としていた。1949年当時、これだけのデータを保持できるメモリ技術は、水銀遅延線と静電記憶装置の 2種類しか存在しなかった。

水銀遅延線は、水銀で満たされた長い管、一方の端に機械式変換器、もう一方の端にマイクロホンを備えた構造で、後にオーディオ処理で用いられるスプリングリバーブ装置によく似ていた。パルスは一方の端から水銀遅延線に送られ、一定の時間をかけてもう一方の端に到達する。マイクロホンによってパルスが検出され、増幅され、正しいパルス形状に整形された後、再び遅延線に送り返される。このようにして、記憶が再循環すると考えられていた。

水銀遅延線は音速に近い速度で動作するため、1940年代後半から1950年代のコンピュータの基準から見ても非常に低速でした。また、水銀中の音速は温度に大きく依存していました。遅延線は一定数のビットを保持するため、クロックの周波数は水銀の温度に応じて変化させる必要がありました。遅延線が多数あり、それらが常に同じ温度でない場合、メモリデータが容易に破損する可能性がありました。

Whirlwindの設計者たちは、遅延線をメモリとして採用することをすぐに却下した。それは、想定していたフライトシミュレーターには遅すぎただけでなく、Whirlwindが機能的なプロトタイプとなることを意図していたため、再現性のある量産システムには信頼性が低すぎたからだ。

もう一つの記憶方式は「静電メモリ」として知られていました。これは陰極線管メモリで、初期のテレビのブラウン管やオシロスコープの管と多くの点で類似していました。電子銃から電子ビームが管の端まで送られ、そこでスクリーンに衝突します。ビームは偏向されてスクリーンの特定の位置に着地します。ビームはその位置に負電荷を蓄積したり、既に存在する電荷を変化させたりすることができます。ビーム電流を測定することで、その位置が元々ゼロだったのかイチだったのかを判別でき、ビームによって新しい値を記憶することができました。

1949年当時、静電メモリ管にはいくつかの種類が存在していた。今日最もよく知られているのは、イギリスで開発されたウィリアムズ管だが、他にも様々な研究機関が独自に開発したものが多数あった。Whirlwindのエンジニアたちはウィリアムズ管を検討したが、その動的な記憶特性と頻繁なリフレッシュサイクルの必要性が、Whirlwind Iの設計目標と相容れないと判断した。そこで彼らは、 MIT放射線研究所で開発されていた設計を採用することにした。これはデュアルガン電子管だった。一方の電子銃は、個々のビットを読み書きするための鋭く集束されたビームを生成し、もう一方の電子銃は、低エネルギー電子を画面全体に噴射する「フラッドガン」だった。この設計の結果、この管は、動的RAMであるウィリアムズ管とは異なり、リフレッシュサイクルを必要としない静的RAMに近いものとなった。

結局、この真空管の選択は不運だった。ウィリアムズ社の 真空管ははるかに開発が進んでおり、リフレッシュが必要だったとはいえ、1本の真空管あたり1024ビットを容易に保持でき、正しく動作させれば非常に信頼性が高かった。MIT社の真空管はまだ開発段階にあり、 1本の真空管あたり1024ビットを保持することを目標としていたものの、計画でフルサイズの機能的な真空管が求められてから数年経っても、この目標は達成されなかった。また、仕様ではアクセス時間は6マイクロ秒とされていたが、実際のアクセス時間は約30 マイクロ秒だった。Whirlwind Iプロセッサの基本サイクル時間は メモリアクセス時間によって決まるため、プロセッサ全体の動作速度は設計値よりも遅くなった。

ジェイ・フォレスターは、自分のコンピュータに適したメモリの代替品を必死に探していた。当初、コンピュータの記憶容量はわずか32ワードで、そのうち27ワードはトグルスイッチで構成された読み出し専用レジスタだった。残りの5つのレジスタはフリップフロップで、それぞれ30本以上の真空管で構成されていた。この「テストストレージ」は、メインメモリが準備できていない間に処理要素をチェックアウトできるようにするためのものだった。メインメモリの完成が非常に遅れたため、ライブレーダーデータで飛行機を追跡する最初の実験は、テストストレージに手動で設定されたプログラムを使用して行われた。フォレスターは、ある会社が製造している新しい磁性材料の広告を見つけた。これがデータ記憶媒体になる可能性を秘めていることに気づいたフォレスターは、研究室の隅に作業台を確保し、実験用に材料のサンプルをいくつか入手した。そして数ヶ月間、彼はオフィスでプロジェクト全体を管理していたのと同じくらい多くの時間を研究室で過ごした。

数ヶ月後、彼は磁気コアメモリの基本原理を発明し、それが実現可能であることを実証した。彼の実証実験は、直径がそれぞれ3/8インチのコアが32個並んだ小型コアプレーンで行われた。この概念が実用的であることが実証されたため、あとは実用的な設計に落とし込むだけだった。1949年の秋、フォレスターは大学院生のウィリアム・N・パピアンに、数十個の個々のコアをテストして、最も優れた特性を持つコアを特定するよう依頼した。^{[ 12 ]}パピアンの研究は、フォレスターが学生のダドリー・アレン・バック^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]}にこの材料の研究を依頼し、バックを作業台に割り当てたことで強化された。フォレスター自身はフルタイムのプロジェクト管理に戻った。（バックは後に、この研究所でクライオトロンと内容アドレス指定可能なメモリを発明することになる。）

約2年間の研究開発を経て、彼らは32×32、つまり1024個のコアから構成され、1024ビットのデータを保持できるコアプレーンを実証することに成功した。これにより、静電管の当初の目標記憶容量に到達した。これは、最新世代の設計でも1本あたり512ビットしか保持できなかった静電管自体ではまだ達成されていなかった目標であった。すぐに1024ワードのコアメモリが製造され、静電メモリに取って代わった。静電メモリの設計と製造は即座に中止され、多額の資金が節約され、他の研究分野に再配分された。その後、さらに2つのコアメモリユニットが製造され、利用可能なメモリ容量の総量が増加した。

この設計では、約5,000本の真空管が使用された。

Whirlwindで使用された真空管の数が多かったため、1本の真空管の故障がシステム全体の故障につながる可能性があり、故障率が問題となった。当時標準だった五極管は6AG7であったが、1948年の試験で、この用途における耐用年数が短すぎると判断された。そのため、代わりに7AD7が選ばれたが、これも故障率が高すぎた。故障の原因を調査した結果、ヒーターフィラメントのタングステン合金中のシリコンが陰極汚染を引き起こしていることが判明した。陰極上に形成されるオルトケイ酸バリウムの析出物が、電子放出機能を低下または阻害するのである。そこで、高純度タングステンフィラメントを備えた7AK7真空管が、 Sylvania社によってWhirlwind専用に開発された。^{[ 22 ]： 59-60}

カソード汚染は、真空管をヒーターオンの状態でカットオフ状態で動作させたときに最も深刻になります。市販の真空管はラジオ（後にテレビ）用途向けに設計されており、このような状態で動作させることはほとんどありません。このようなアナログ用途では真空管は線形領域に維持されますが、デジタル用途ではカットオフと全導通を切り替え、線形領域を通過するのはごく短時間です。さらに、市販の真空管は1日に数時間しか使用されないことをメーカーは想定していました。^{[ 22 ]： 59} この問題を軽減するために、長時間切り替えを行わないと想定される真空管ではヒーターをオフにしました。ヒーター電圧は、ヒーターフィラメントへの熱衝撃を避けるために、緩やかなランプ波形でオン/オフされました。 ^{[ 23 ]： 226}

これらの対策をもってしても、必要な信頼性を達成するには不十分でした。メンテナンス期間中にバルブをテストすることで、初期故障を積極的に発見しました。バルブには、設計上の限界値まで電圧と信号を印加する、マージンテストと呼ばれるストレステストが実施されました。これらのテストは、使用中に故障するはずだったバルブを早期に故障させることを目的としており、テストプログラムによって自動的に実行されました。^{[ 22 ]： 60-61} 1950年のメンテナンス統計は、これらの対策の成功を示しています。使用中の1,622本の7AD7真空管のうち、243本が故障し、そのうち168本はマージンテストによって発見されました。使用中の1,412本の7AK7真空管のうち、18本が故障し、そのうちマージンチェック中に故障したのはわずか2本でした。その結果、Whirlwindは市販のどの機器よりもはるかに高い信頼性を実現しました。^{[ 22 ]： 61-62}

Whirlwind真空管試験方式の他の多くの特徴は標準的な試験ではなく、専用の装置を必要とした。特別な試験が必要だった条件の一つは、管内部の糸くずなどの小さな物体によって引き起こされる、一部の真空管の瞬間的な短絡であった。時折発生する偽の短パルスは、アナログ回路では軽微な問題、あるいは全く気づかない場合もあるが、デジタル回路では致命的な問題となる可能性がある。これらは標準的な試験では検出されなかったが、ガラス管を叩くことで手動で発見できた。この試験を自動化するために、サイラトロントリガー回路が構築された。^{[ 23 ]： 225}