ЭВМ “ВИХРЬ” и её окружение

Юрий Полунов

Вихри враждебные реют над нами…

Из революционной песни

В одной из предыдущих статей я писал о том, как “война родила первую ЭВМ”. Теперь мне хотелось бы рассказать, как потенциальная угроза войны стала катализатором создания одной из самых замечательных ламповых ЭВМ — Whirlwind (“Вихрь”). Она стала основой североамериканской ПВО SAGE1, которая, по словам историка С. Огартена (S. Augarten), “научила американскую компьютерную индустрию строить большие и взаимосвязанные системы обработки данных, работающие в режиме реального времени”.

Требуется универсальный тренажер

Предыстория машины, о которой пойдет речь, началась в 1943—1944 гг., когда по инициативе капитана Луи де Флореца (Luis de Florez), руководителя отделения специальных приборов (Special Devices Division, SDD) в управлении научных исследований и разработок (Office of Scientific Research and Development, OSRD), был заключен контракт с Массачусетским технологическим институтом (MIT). Контракт предполагал проектирование тренажера (симулятора), способного имитировать в режиме реального времени полет самолета. С его помощью пилоты могли бы на земле совершенствовать навыки управления, а конструкторы изучать влияние изменений в возможных тактико-технических характеристиках новых моделей. Такие тренажеры, построенные на базе аналоговой электромеханической техники, использовались и в предвоенные годы, однако при этом для каждой новой конструкции летательного аппарата предлагался свой симулятор. Де Флорец же задумал создать универсальный тренажер, который сократил бы затраты на конструирование и тренинг. Так в декабре 1944 г. по контракту с SDD началась реализация проекта “Анализатор стабилизации [положения] самолета и его [системы] управления” (Airplane Stability and Control Analyzer, ASCA). Исполнителем проекта стала Лаборатория сервомеханизмов, образованная в 1940 г. известным специалистом по автоматике Гордоном С. Брауном (Gordon S. Brown, 1907—1996) для разработки приводов и систем управления корабельными артиллерийскими орудиями и антеннами палубных радаров.

Джей Р. Форрестер

Непосредственным руководителем работы был назначен 26-летний Джей Райт Форрестер (Jay Wright Forrester). В июле 1939 г. Форрестер был сотрудником лаборатории техники высоких напряжений MIT, но затем перевелся в лабораторию сервомеханизмов. Заботы военного времени заставили его отложить работу над тезисами магистерской диссертации, да и однообразные научные проблемы, которыми он занимался, изрядно ему надоели. Он решил уйти из института, но Браун, не желая терять талантливого сотрудника, предложил ему самостоятельно выбрать и возглавить один из проектов, которые были в портфеле заказов лаборатории. Форрестер отдал предпочтение проекту ASCA; его единомышленником и правой рукой стал свежеиспеченный магистр электротехники Роберт Райверс Эверетт (Robert Rivers Everett, р. 1921). Их имена в истории ВТ стоят рядом, и для экономии места я иногда буду писать сокращенно — Ф.-Э.

Возглавляемая ими небольшая группа сотрудников сначала пошла по проторенной дорожке: примерно полгода было затрачено на создание электромеханического аналогового симулятора, но в результате разработчики пришли к выводу об ошибочности избранного пути. Дело в том, что в режиме реального времени для минимизации времени между действиями пилота и реакцией тренажера, требовалось одновременно решить сотню или более дифференциальных уравнений со многими переменными. В принципе это можно было бы сделать с помощью электронной аналоговой техники, но она давала слишком низкую точность вычислений, не соответствующую техническому заданию заказчика (не говоря уже об объеме и стоимости требуемого оборудования). Поэтому в середине 1945 г. Ф.-Э. поняли тщетность своих усилий и начали искать другие варианты решения стоявшей перед группой задачи.

Форрестер резко перекладывает руль

Первым человеком, обратившим их внимание на целесообразность переориентации проекта на цифровую ВТ, был коллега Форрестера по магистратуре Перри О. Кроуфорд (Perry O. Crawford), о котором я уже упоминал ранее (см. Автора!!!). Форрестер вспоминал: “ 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 (в октябре 1945 г. Кроуфорд стал вольнонаемным сотрудником SDD. — Ю. П.). 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”.

В ноябре 1945 г., действуя на свой страх и риск, Форрестер решил переключить сотрудников на разработку эскизного варианта цифровой машины, не согласовав такой поворот с заказчиком. Это был смелый поступок, если учесть, что большинство из членов группы не имело даже приблизительного представления об ЭВМ и им пришлось начинать с азов. Ф.-Э. как руководители оборонного проекта имели допуск к засекреченным Mark I и ENIAC’у и подробно познакомились с их структурой и техническим исполнением, получили полезные консультации в Гарвардском и Пенсильванском университетах, где эти машины были разработаны, а также в Bell Telephone Laboratories. Еще больше информации неофиты извлекли из появившегося в конце июня 1945 г. “Первого варианта отчета об EDVAC’е” Джона фон Неймана.

Роберт Р. Эверетт

В середине января следующего года Форрестер обратился с памятной запиской к руководителям SDD, в которой предлагал построить тренажер на базе цифровой вычислительной машины. Кроме того, автор записки указывал, что быстродействующая, работающая в режиме реального времени машина могла бы быть полезной и при решении других оборонных задач, например использоваться вместо весьма грубых аналоговых вычислителей в устройствах управления артиллерийским огнем или в системах автоматического сбора информации о воздушном нападении противника и т. д. Не без влияния Кроуфорда это предложение было принято, и в марте того же года в лаборатории сервомеханизмов началась разработка ЭВМ. Название машины — “Вихрь” — видимо, должно было подчеркнуть ее высокое быстродействие.

Задачи, стоявшие перед Форрестером и его командой, были новы и чрезвычайно сложны, поскольку им впервые предстояло спроектировать ЭВМ, работающую в режиме реального времени (ранее созданные ВМ предназначались для решения научно-технических задач). В связи с этим требовалось кардинально увеличить быстродействие машины (по расчетам Форрестера, до 20—50 тыс. операций в секунду) и использовать скоростную и надежную внутреннюю память большой емкости, способную оперировать значительным объемом информации о поведении имитируемого самолета. Необходимо было также создать новое программное обеспечение для обработки непрерывно поступающего потока данных, так как все другие ВМ использовали режим пакетной обработки, совершенно неприемлемый в данном случае. К этому следует добавить требования повышенной надежности, умеренного потребления энергии и т. д.

Нельзя забывать, что преодолеть эти (и другие) трудности должны были люди, не имевшие ни малейшего опыта общения с цифровой техникой. Даже через три месяца после начала работы над “Вихрем” (в июне 1946 г.) Форрестер писал: “Нынешнее наше положение не позволяет определить, что именно мы собираемся построить в июне следующего года, поскольку нами еще не изучены те наилучшие принципы, которые должны быть положены в основу будущей машины”. Несомненно, огромную помощь в осознании “наилучших принципов” оказал курс “Теория и методы проектирования электронных цифровых вычислительных машин”, который руководители проекта прослушали в июле — августе 1946 г. в школе Мура при Пенсильванском университете (см. Автора!!!). Приобретенные таким образом знания позволили Ф.-Э. к концу 1947 г. вчерне определиться со структурой машины, и в следующем году их команда приступила к экспериментам и поузловой разработке “Вихря”.

“В бореньях силы напрягая…”

Главные технические задачи, стоявшие перед Форрестером со товарищи, заключались в выборе или создании внутренней памяти, адекватной требованиям проекта, и повышении надежности ламповых дискретных цепей.

В отношении памяти выбор был невелик: общепринятая РУЛЗ была слишком медлительной и ее использование обуславливало поразрядно-последовательный характер вычислений, что никоим образом не позволяло получить высокое быстродействие; тем же свойством в принципе обладал и НМБ, создание которого велось в Engineering Research Associates, Inc. В поисках физического элемента, способного составить основу памяти, Форрестер безуспешно испробовал и другие варианты. Так, для хранения одного разряда он пытался применить газонаполненные лампы — “неонки” и ксеноновые лампы-вспышки (xenon flash lamp), изобретенные профессором MIT Гарольдом Юджином Эджертоном (Harold Eugene Edgerton, 1903—1990).

К счастью, к концу 1946 г. наметилась удачная альтернатива: в ноябре профессор Манчестерского университета Ф. К. Уильямс, используя стандартную электронно-лучевую трубку (ЭЛТ), продемонстрировал возможность хранения на ее экране и считывания с него одного двоичного разряда. Благодаря тесным англо-американским научным связям об этом вскоре стало известно в США. Но от потенциальной возможности до реального осуществления идеи — долгий путь. Не дожидаясь, пока заокеанские коллеги создадут многоразрядную память на трубках (см. Manchester united), Форрестер привлек к решению проблемы знаменитую лабораторию излучения (Radiation Laboratory, RadLab) своего института, компании Raytheon, Sylvania и др. Забегая вперед, скажу, что основные исследования, продолжавшиеся в течение четырех лет, все же были выполнены его сотрудниками: решены такие проблемы, как стабилизация диаметра и однородности пятна на экране трубки, улучшена фокусировка луча и т. д. Новую конструкцию трубки, имевшую, в частности, дополнительную электронно-лучевую пушку для периодической регенерации электростатического заряда, изготавливала корпорация RCA.

Не менее скрупулезно команда Ф.-Э. работала над проблемой увеличения надежности ламповых цепей. “До 50-х годов вакуумные лампы использовались главным образом в радиотехнике, — писал позднее Форрестер. — Радиоинженеров не волновало, что средний срок службы лампы составляет 500 часов. Но разработчики ЭВМ использовали тысячи ламп и хорошо понимали, что их малый срок работы приведет к сбоям машины через каждые пару минут. Одно из достижений нашей группы заключалось в установлении причин выхода ламп из строя2… Устранив эти причины, мы добились значительного увеличения срока службы ламп (было предложено использовать для катода материалы, значительно уменьшающие временную потерю катодной эмиссии. — Ю. П.). Чтобы проверить, сможет ли электронное устройство работать без сбоев длительное время, было построено множительное устройство для перемножения двух 5-разрядных двоичных чисел (оно было изготовлено в 1947 г. и содержало 400 ламп. — Ю. П.). Мы тогда не знали многое из того, что сейчас известно всем инженерам-электронщикам, и опасались, что пики случайных напряжений, генерируемых тепловыми шумами, будут чересчур большими и приведут к ложному переключению дискретных схем… Устройство работало непрерывно в течение многих дней (по данным Эверетта, 45 суток. — Ю. П.), 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…

У стойки ЭВМ “Вихрь”. В левой части фотографии — Джей Форрестер (слева) и один из ее разработчиков Норман Тейлор

Много времени было потрачено на разработку тестовых программ для обнаружения вышедших из строя ламп. Однажды мы попросили одного из посетителей подойти к любой стойке машины, вынуть лампу из колодки и принести ее на пульт управления. Когда он выполнил нашу просьбу и подошел к пульту, он смог убедиться, что машина сама указала месторасположение пустой колодки… Другие средства повышения надежности рождались совершенно неожиданно. Я помню, как во время годового отчета заказчику один их его представителей спросил: “Что вы собираетесь делать с электронными компонентами, параметры которых постепенно дрейфуют и приближаются к тому пределу, переход через который приведет к ошибкам? Любые незначительные случайные флуктуации питающего напряжения или проезжающие мимо здания автомобили могут стать причиной того, что цепи то будут работать, то не будут”. Это был очень важный и сильный вопрос, и, скажу откровенно, мы ранее не задумывались над ним. Но я чувствовал, что он относится к числу тех, что имеют существенное значение и требуют немедленного ответа. И я сказал: “Ну, мы можем, например, уменьшить какое-либо из напряжений, подаваемых на лампу, ниже его номинального значения до такой величины, при которой возможен сбой, и это поможет найти лампу, близкую к выходу из строя”.

Эверетт: “Джей предложил использовать систему допускового контроля. С ее учетом были сконструированы все цепи; по мере того как лампы старели, допуски становились все меньше и меньше. Они могли быть измерены путем изменения одного из напряжений, питающих лампы (например, напряжения на сетке)… Если допуск становился слишком малым, лампу заменяли… Мы надеялись, что при проведении регулярной профилактики допусковый контроль поможет определить подлежащие замене лампы еще до того, как они вызовут сбои в работе машины”. Замечу, что подобный контроль использовался также для отбраковки в процессе эксплуатации машины трубок Уильямса, близких к выходу из строя.

“Где деньги, Зин?”

Разработка машины шла полным ходом, а между тем над ней сгущались тучи, так как поменялся куратор (спонсор) работы. В декабре 1947 г. OSRD и SDD прекратили существование и финансируемые ими проекты были переданы другим организациям: в частности, проект тренажера перешел в ведение математического отделения управления военно-морских исследований (Office of Naval Research, ONR), созданного годом ранее. Руководитель отделения Майна Спайгель Рис (Mina Spiegel Rees,1902—1997) всячески поддерживала разработку научных ЭВМ, но, будучи чистым математиком, скептически относилась к необходимости создания машины другого назначения. К тому же она полагала, что группе Форрестера не хватает “математических умов” и что для целей проекта можно было бы использовать ЭВМ, проектируемую в принстонском Институте перспективных исследований (IAS). Пришлось Форрестеру оправдываться: “ЭВМ IAS предназначена для научных исследований, целью которых является изучение возможностей быстродействующих ВМ и решение сугубо научных задач, в то время как мы в MIT заняты техническими проблемами, связанными с созданием машины и ее последующим практическим использованием”. Тем не менее, чтобы потрафить М. Рис, он пригласил в свою группу профессора математики MIT Филиппа Франклина (Philip Franklin).

В пультовой ЭВМ “Вихрь”

Другая причина возникновения напряженности между заказчиком и разработчиками “Вихря” заключалась в непрерывном росте стоимости проекта. Поначалу Форрестер планировал уложиться в два года и в 875 тыс. долл., но уже в марте 1946 г. обратился с просьбой увеличить бюджет до 1,9 млн. и почти до 3 млн. долл. в следующем финансовом году. К 1949 г. проект ASCA (читай: “Вихрь”) поглотил около 65% бюджета математического отделения. Чтобы оправдать расходы, Ф.-Э. по поручению президента MIT Карла Тейлора Комптона (Karl Taylor Compton, 1887—1954) еще в сентябре 1948 г. подготовили доклад для Пентагона о возможных сферах применения управляющих ЭВМ в военных целях. В нем были приведены многочисленные примеры использования машин для управления огнем артиллерийских орудий, обработки данных о запусках ракет, решения задач логистики, контроля полетов самолетов и т. д. Направленность доклада свидетельствовала о том, что его авторы утратили интерес к собственно тренажеру и их привлекает лишь работа над высокопроизводительной ЭВМ. Этого не могли не отметить представители ONR и ВМФ, которые, впрочем, также весьма скептически относились к полезности столь дорогостоящего оборудования. Кроме того, в начале 1950 г. в Пентагоне решили упорядочить финансирование разработок в области ВТ (к этому времени военное ведомство уже выделило средства на реализацию 13 проектов научных ЭВМ). Но суммы, предназначенные для этих проектов, лежали в пределах 300—700 тыс. долл., и по сравнению с ними аппетиты Ф.-Э. казались невероятно завышенными. Много лет спустя Форрестер говорил: “Очень немногие из представителей внешнего мира понимали предмет нашей работы, цели и методы построения пионерской вычислительной машины. Финансирование почти всегда было неадекватным. Обзоры и анализы [проведенной нами работы] вынуждали нас защищать свои позиции и держать ответ за слабости, на которые указывали нам контролеры. Мы старались извлечь пользу из раздражения, вызванного периодическими анализами проделанного нами, отвечая на вопросы типа: почему вы тратите столь много, почему не укладываетесь в сроки, почему разрабатываете машину так, а не эдак?”.

В марте 1950 г. ONR, следуя политике Пентагона, уменьшило финансирование проекта на следующий финансовый год с 1,15 млн. (запрошенных Форрестором) до 250 тыс. долл., и успешное завершение работы над “Вихрем” оказалось под большим вопросом. Но к счастью для будущего компьютерной индустрии, у машины нашелся другой и более мощный заказчик — ВВС США, которым предстояло решить важнейшую общенациональную задачу.

Спасательный круг Джорджа Вэли

После того как в 1949 г . в СССР была успешно испытана атомная бомба, а американским военным стало известно о наличии у потенциального противника стратегических бомбардировщиков, способных доставлять этот смертоносный груз на территорию США, Пентагон и ученые, работавшие в интересах оборонного комплекса страны, забили тревогу. К этому времени в Соединенных Штатах по существу отсутствовала эффективная система раннего обнаружения вражеских самолетов. Ее функции выполнял организованный силами ВВС “Корпус наземных наблюдателей” ( Ground Observer Corp , GOC ) — сеть постов наблюдения за воздушными объектами, комплектовавшаяся гражданскими добровольцами (в 1953 г ., на пике своей деятельности, корпус состоял из 8 тыс. постов и 305 тыс. наблюдателей). Но в новых условиях военные сочли GOC ненадежной и слишком медленной системой.

Световая Пушка

В декабре 1949 г . по инициативе ВВС и ученых MIT был организован Инженерный комитет [по созданию] систем противовоздушной обороны (Air Defense Systems Engineering Committee, ADSEC), который возглавил профессор физики Джордж Эдвард Вэли-мл. (George Edward Valley, Jr., 1913—1999). Он пользовался большим авторитетом в Пентагоне, так как в 1940-е годы под его руководством в лаборатории излучений при MIT был создан самолетный радар Н2Х, позволявший вести бомбардировку во всепогодных условиях. Комитету Вэли предстояло решить несколько принципиальных вопросов, связанных с организацией континентальной ПВО: следует ли децентрализировать функции системы, какую технику (аналоговую или цифровую) целесообразно использовать для передачи и обработки информации и т. д. Впрочем, ответ на один из этих вопросов был для Вэли ясен: посетив в марте 1950 г. лабораторию сервомеханизмов, где находилась еще не достроенная ЭВМ, он стал горячим сторонником цифровой техники.

Форрестер вспоминал: “ Профессор физики, член комитета ВВС по защите воздушного пространства Джордж Вэли был ученым, которому мы многим обязаны. Этот человек мог ночью позвонить генералам и сказать, что они должны были бы сделать, а также попросить их о поддержке”.

Не могу также не процитировать слова Эверетта, относящиеся к тому времени, когда “Вихрь” только начал функционировать: “У этой машины б ыл собственный характер. Когда требовалось выполнить что-нибудь не особенно важное, она вела себя очень своенравно, но если вы подходили к ней и говорили: “Эй, настало время продемонстрировать тебя присутствующему здесь генералу такому-то”, она собиралась и работала превосходно, особенно в тех случаях, когда рядом находился Джордж Вэли. Не знаю почему, но “Вихрь” его очень любил... Поэтому, если предстояла важная демонстрация машины, мы всегда старались заручиться присутствием Вэли”.

В сентябре 1950 г . еще не вполне достроенная ЭВМ, находившаяся в Кембридже, шт. Массачусетс, участвовала в эксперименте по приему данных в цифровой форме, передаваемых с радара, установленного в Бедфорде, шт. Массачусетс. Благодаря использованию аналого-цифрового преобразователя и аппаратуры сжатия информации, разработанной Кембриджским исследовательским центром ВВС (Air Force Cambridge Research Center), передача велась по обычной телефонной линии связи. Эксперимент прошел удачно, и Пентагон по настоянию Вэли выделил необходимые средства для завершения работы над ЭВМ. К 14 марта 1951 г . машина была полностью собрана, отлажена и выполнила первую большую программу, написанную на ассемблере Джоном Гилмором (John Gilmore), а 20 апреля того же года она была официально введена в действие. Вскоре после этого в MIT была создана лаборатория цифровой вычислительной техники (Digital Computer Laboratory, DCL) во главе с Форрестером.

Машина состоялась!

“Вихрь”, стоивший, по разным данным, от 3 до 5 млн. долл., явился результатом усилий 175 человек (в том числе 70 инженеров и техников). Но, пожалуй, эта уникальная ЭВМ не была бы построена, если бы не замечательный организаторский дар Форрестера (“нашего Колумба”, по словам Эверетта). “Большими потенциальными возможностями обладает та организация,— говорил Форрестер, — которая крепко спаяна и способна использовать сильные стороны каждого из ее сотрудников, компенсируя их слабые стороны... В ней необходимо присутствие людей, наделенных такими качествами, как видение будущего, чувство политического момента, умение содействовать совершенствованию других коллег, техническая компетентность, искусство находить покупателей, прямота, способность стойко переносить неудачи и отдавать предпочтение долгосрочным, а не краткосрочным целям. Всё это было у членов нашей группы. Никто, конечно, не обладал всеми перечисленными качествами одновременно, у каждого была своя ярко выраженная индивидуальность и свои сильные и слабые стороны. В группе царила атмосфера полного взаимопонимания, а обязанности распределялись с учетом того, в чем тот или иной сотрудник был наиболее силен. Такая организация позволяла нам действовать с большей эффективностью по сравнению с другими исследовательскими командами”.

ЭВМ была построена по классической принстонской архитектуре с той лишь разницей, что для обмена информацией между блоками машины применялась общая шина . Для управления последовательностью операций в “Вихре” использовалась диодная матрица. 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 (УУ). Возможно, такая “управляющая матрица” вдохновила Мориса Уилкса на создание концепции микропрограммирования (сам он, насколько мне известно, никогда об этом не писал).

Поскольку задачи, для решения которых предназначалась машина, не требовали высокой точности вычислений, длина машинного слова была ограничена 16 двоичными разрядами (включая знак числа с фиксированной запятой). Но вместе с тем имелись подпрограммы для работы с числами с плавающей запятой и словом двойной длины, позволявшие получить в случае необходимости более высокую точность. Машина была одноадресной, синхронного действия с тактовой частотой 1 МГц, естественным управлением программной последовательностью и АУ параллельного действия. Внутренняя память содержала 32 модифицированные трубки Уильямса емкостью 1К слов (вскоре емкость была увеличена вдвое), для проверки работоспособности памяти предназначалась группа 32-разрядных регистров, построенных на механических ключах, и пять электронных регистров. Ввод данных и программ в машину осуществлялся с помощью перфоленты и считывающего устройства, результат вычислений печатался на пишущей машинке, в качестве дисплея использовалась ЭЛТ диаметром 40 см . Система аппаратурного или аппаратурно-программного контроля работоспособности — такого, например, как дублирование отдельных блоков или контроль четности, — в машине отсутствовала. Среднее быстродействие составляло 20 тыс. операций в секунду, при этом операция сложения выполнялась за 49, а умножения — за 61 мкс (включая время выборки операндов из памяти). ЭВМ содержала 5000 ламп, главным образом пентодов, и 11 тыс. кристаллических диодов, потребляла 150 кВт энергии, весила 10 т и занимала площадь около 950 кв. м . На ежедневную профилактику “Вихря” отводилось 1,25 ч, среднее время наработки на отказ составляло 10,6 ч.

Дальнейшие шаги

Вслед за успешным завершением “бедфордского эксперимента” MIT получил средства на реализацию проекта “Чарльз” (по названию протекающей через Бостон реки). Его целью была выработка конкретных рекомендаций по созданию системы ПВО на базе новейших достижений в области радарной техники, систем связи, ВТ и т. д. В период с февраля по август 1951 г . группа ученых подготовила отчет, в котором содержалось эскизное описание будущей континентальной системы.

Предполагалось организовать 22 региональных центра обработки информации в США и один в Канаде, а также несколько командных центров. Все они должны были иметь быстродействующие ЭВМ, которые в режиме реального времени обрабатывали бы данные о воздушной обстановке, поступающие с радаров, станций наблюдения и т. д., представляли результаты обработки в текстовой и графической форме и посредством модемов и телефонных каналов связи обменивались ими со всеми другими региональными центрами.

ЭВМ AN/FQS-7

После того как военные одобрили отчет, было решено организовать под эгидой MIT специальную лабораторию для разработки системы ПВО. Она финансировалась государством, находилась в Лексингтоне, шт. Массачусетс, и называлась Линкольновской (Lincoln Laboratory, LincLab), по названию соседнего городка Линкольн. Ее руководителем назначили физика Фрэнсиса Уиллера Лумиса (Francis Wheeler Loomis , 1889—1976), в прошлом работавшего в RadLab, а его заместителем — Джорджа Вэли. В лаборатории было около десятка отделений, каждое из которых специализировалось по одному из технических направлений (DCL вошла в состав LincLab и стала именоваться отделением № VI).

Первой работой LincLab стал проект по созданию региональной системы ПВО на базе “Вихря”, охватывающей территорию Новой Англии и известной как “Система мыса Код” (Cape Cod System, CCS). Он был призван смоделировать в малом масштабе действие континентальной системы и убедить скептиков в правильности выбранных технических решений. Документация на CCS и необходимое оборудование были готовы к январю 1953 г ., а уже в сентябре того же года началась ее опытная эксплуатация (роль бомбардировщиков потенциального противника выполняли самолеты B-47 Stratojet).

Машина совершенствуется

К этому времени ЭВМ “Вихрь” подверглась существенной модернизации. В своей новой ипостаси она занимала два этажа в одном из зданий MIT: на первом располагались НМЛ и устройства связи с объектами; второй этаж занимала вычислительная часть машины, внутренняя память и пульт управления. Кроме того, в подвале здания находился питающий агрегат мощностью примерно 150 кВт, а на крыше был смонтирован кондиционер. Число ламп в машине увеличилось до 12,5 тыс., а диодов — до 23,8 тыс.

Быстродействие “Вихря”, казавшееся в то время фантастическим, все же было недостаточным для решения задач ПВО, и главным препятствием для его повышения оказался слишком большой цикл работы памяти (16 мкс). Кроме того, несмотря на все ухищрения, каждая трубка, стоившая примерно 1000 долл., ежемесячно выходила из строя, таким образом, месячное содержание одной лишь памяти обходилось в 32 тыс. долл. Поэтому начиная с июня 1949 г. Форрестер и его сотрудник Уильям Н. Папьян (William N. Papian) настойчиво искали замену ЭЛТ. В конце 1951 г. они смогли продемонстрировать первый образец памяти на ферритовых сердечниках (в отечественной литературе она получила название “Магнитное оперативное запоминающее устройство”, МОЗУ), а 8 августа 1953 г . полностью заменили ею память на трубках (через месяц емкость МОЗУ была увеличена до 2К слов). Выборка машинного слова из новой памяти осуществлялась за 9 мкс, и это позволило почти в два раза увеличить среднее быстродействие “Вихря”: операции сложения, умножения и деления занимали соответственно 8,0; 25,5 и 57,0 мкс (не считая времени выборки операндов из памяти). В техническом отношении это изобретение стало одним из фундаментальных достижений группы Форрестера. На протяжении следующих двух десятилетий МОЗУ было основным видом внутренней памяти ЭВМ, и истории ее создания будет посвящена следующая статья.

Обогатился “Вихрь” и внешними запоминающими устройствами — пятью НМЛ емкостью 125 тыс. слов каждый и скоростью считывания 390 слов в секунду (поставлены компанией Raytheon), а также двумя НМБ от компании ERA, емкость которых составляла 2048 слов, частота вращения — 60 об/с, быстродействие операций записи/считывания — 31 тыс. слов в секунду (был введен контроль четности при обмене данными между МОЗУ и НМБ). Комплект устройств ввода-вывода пополнили флексорайтеры.

В качестве дисплеев использовались трубки “Характрон” (Charactron), разработанные компаний Convair из Сан-Диего для воспроизведения на люминесцентном экране букв, цифр, топографических знаков и других символов. Эти символы формировались на экране ЭЛТ с помощью трафарета (character mask) — непрозрачной пластинки с набором микроотверстий в виде изображаемых символов. Пластинка помещалась на пути электронного луча между двумя отклоняющими системами: одна из них служила для направления луча в нужный символ трафарета, вторая — для направления сформированного луча на выбранное место экрана. Пройдя через трафарет, луч приобретал в поперечном сечении форму отверстия, в результате чего на экране в месте падения луча высвечивалось изображение требуемого символа. Использовалась также аналогичная, но меньших размеров трубка “Тайптрон” (Typotron), которую выпускала компания Hughes Aircraft. Для реализации проекта CCS был разработан трафарет, имевший форму береговой линии Новой Англии.

Символы, обозначавшие обнаруженные радарами воздушные цели, формировались на экране с помощью генераторов знаков и векторов.

Интерактивное общение с машиной обеспечивалось предложенной Эвереттом “световой пушкой” (light gun) новой конструкции, которая позволяла оператору считывать информацию непосредственно c экрана дисплея. В аналогичных устройствах, применявшихся с середины 1930-х годов в световых тирах и других аркадных играх, световой луч направлялся на экран приемника (светочувствительную трубку). Эверетт же изменил конструкцию, расположив фотоэлектронный приемник в корпусе пушки. Приемник реагировал на небольшие изменения яркости объекта (символического изображения самолета) на экране дисплея, происходившие в процессе регенерации. Когда сканирующий луч “наталкивался” на выбранный с помощью пушки объект, его координаты (X, Y) определялись в отдельном электронном блоке и направлялись в ЭВМ, которая извлекала из внешней памяти и выдавала на дисплей данные о воздушной цели, скорости и направлении ее полета, типе вооружения и т. д. Операторы, опираясь на эту информацию, могли принимать необходимые решения и обмениваться ею с другими центрами (в частности, передавать координаты и курс целей самолетам-перехватчикам).

В машине использовался метод прямого доступа к памяти (Direct Memory Access, DMA). Входные данные, которые обновлялись каждые 15 с, записывались на отдельную дорожку одного из НМБ и затем блоком передавались во внутреннюю память, при этом процесс вычислений не прерывался. Впервые метод DMA использовался ещё в ЭВМ DYSEAC (см. статью “Опломбированная поцелуем” и другие), но был запатентован IBM в процессе разработки ЭВМ AN/FSQ-7, прототипом которой послужил “Вихрь”.

ПО машины было дополнено программой, позволявшей ЭВМ решать одновременно несколько задач, работая в режиме разделения времени, а также рядом сервисных программ, обеспечивающих считывание данных с бумажной перфоленты флексорайтера, запись результатов обработки данных на фотопленку или перфоленту для дальнейшего анализа, обнаружения ошибок в процессе вычислений и т. д.

И наконец — SAGE!

Успешное функционирование CCS позволило Линкольновской лаборатории в 1954 г . приступить к разработке “Полуавтоматической наземной системы контроля (окружающей обстановки)” (Semi-Automatic Ground Environment, SAGE). При этом LincLab была отведена роль системного интегратора и организации, ответственной за создание системы в целом; исполнителями же отдельных частей проекта и производителями соответствующего оборудования стали несколько частных компаний. Впрочем, позднее выяснилось, что обеспечение взаимодействия между учеными, военными и производственниками оказалось не под силу университетской лаборатории. Поэтому в июле 1958 г. была образована некоммерческая корпорация MITRE во главе с Чарльзом Уильямом Хэллигеном (C. W. Halligan), бывшим топ-менеджером Western Electric — дочерней производственной компании коммуникационного гиганта American Telephone & Telegraph Co. (АТ&Т).

Пультовая информационного центра ПВО SAGE

Лумис, Форрестер и другие руководители LincLab отлично понимали, что успешная реализация проекта SAGE в решающей мере зависит от выбора поставщика ЭВМ для будущих центров. Среди трех претендентов (Remington Rand, Raytheon, IBM) выбор был сделан в пользу последней, хотя в первой половине 1950-х лидирующее положение на рынке ВТ занимала Remington Rand . “Но, — как говорил Форрестер,— в IBM в большей степени наблюдаются целеустремленность, единство команды и корпоративный дух, чем у конкурента. Значительным фактором также являлась способность этой корпорации наладить более тесную связь между исследованиями, производством и техническим обслуживанием”. Этот контракт был исключительно важен для IBM, так как она получила возможность за государственный счет отработать технологию серийного производства ЭВМ и значительно пополнить свою кассу. Забегая вперед, скажу, что корпорация поставила для информационных и командных центров SAGE 56 машин и заработала свыше 500 млн. долл. Во время наиболее интенсивных поставок от семи до восьми тысяч сотрудников IBM (20% ее численности) были заняты работой над машинами.

Корпорация начинала не на пустом месте. Сразу же по завершении испытаний “Вихря” в составе CCS в отделении VI началась разработка более мощной и быстродействующей ЭВМ Whirlwind II. Но затем этот проект, находившийся в достаточно “продвинутом” состоянии, из-за финансовых затруднений положили на полку, точнее — передали все наработки в IBM, конструкторы которой использовали их при создании собственной машины, названной AN/FSQ-7 (иногда ее ошибочно именуют Whirlwind II, хотя в принципе это разные ЭВМ). Прототип новой машины был поставлен корпорацией в 1955 г., промышленная модель — в следующем.

Это была гигантская ЭВМ, содержавшая 58 тыс. ламп, 175 тыс. диодов, 13 тыс. транзисторов; МОЗУ, состоявшееиз четырех модулей, каждый емкостью 64К тридцатидвухразрядных двоичных слов и циклом обращения 6 мкс, нескольких десятков НМЛ и 12 (!) НМБ (диаметром 27 см и скоростью вращения 2900 об/мин). Она потребляла до 3000 кВт энергии, занимала примерно 2 тыс. кв. м и весила 275 т. Машина имела модульную конструкцию, и в каждом из 7 тыс. модулей могло содержаться до 12 ламп.

Отделение же Форрестера сосредоточило усилия на разработке ПО для SAGE. Так, в 1954 г . Дж. Холкомб Лэнинг-мл. (J. Halcombe Laning, Jr.) и Нил Зилер ( Neal Zierler) разработали один из первых так называемых алгебраических компиляторов, способных транслировать программу, написанную в алгебраической символике, в машинный код, — примерно то же, но несколько ранее сделал в Манчестерском университете Р. Э. Брукер (см. Manchester united). Но вскоре выяснилось, что ресурсы отделения VI слишком малы для решения столь грандиозной задачи. Отказалась взять на себя “программистское бремя” и IBM, ибо, как объяснял один из руководителей корпорации, “...мы не представляем, как загрузить две тысячи программистов, когда в один прекрасный день работа будет закончена”. В результате создание ПО поручили некоммерческой корпорации RAND, которая для выполнения этой работы, в свою очередь, основала в 1957 г . еще одну некоммерческую организацию — “Корпорацию системных разработок” (Systems Development Corp., SDC). За короткий срок численность сотрудников “дочки” в четыре раза превзошла штат “родительницы”: 800 специалистов (пятая часть программистов США) в течение нескольких лет разрабатывали программный код SAGE, который в завершенном виде занимал четверть миллиона строк (по другим данным — в два раза больше). Отмечу также, что под руководством сотрудника SDC Юлиуса Шварца (Jules Schwartz) в 1959 г . был разработан процедурный язык JOVIAL (Jules Own Version of International Algorithmic Language), представлявший собой версию АЛГОЛА-58 и нашедший широкое применение не только в SAGE, но и во многих системах военного назначения.

Другие работы, связанные с созданием SAGE, были распределены между следующими подрядчиками: корпорация Burroughs Corp. отвечала за поставку модемов, AT&T — за телефонные линии связи, Western Electric — за проектирование и строительство зданий информационных и командных центров и их электроснабжение.

Первая очередь системы была запущена 26 июня 1957 г., а к 1963-му завершилась комплектация всех информационных и командных центров. Каждый из них представлял собой четырехэтажное здание без окон с бетонными стенами толщиной в 1,8 м и имел собственную электростанцию, телефонный узел и систему кондиционирования. Центры получали по две ЭВМ AN/FSQ-7 — одна была рабочей, другая использовалась в качестве “горячего” резерва. Коэффициент готовности такой дуплексированной системы составлял 99,97%! К ЭВМ подключалось до 80 мониторов с дисплеями и одновременно отслеживалось положение около 300 воздушных целей. Система была связана с более чем сотней радаров (наземных и корабельных), со станциями наблюдения и другими источниками информации, комбинировала их и создавала общую картину того, что происходит в воздухе.

Сухой остаток

Общие затраты на создание SAGE (не считая стоимости разработки “Вихря”) точно неизвестны, но оцениваются в сумму порядка 8—12 млрд. долл. (в ценах 1954 г.), что больше, чем было потрачено на реализацию проекта “Манхэттен” по созданию атомной бомбы. Однако ко времени полного ввода системы в действие она уже устарела, поскольку на смену советским стратегическим бомбардировщикам пришли межконтинентальные баллистические ракеты, а система защиты от них требовала иных структурных и технических решений. Правда, SAGE продолжала действовать до середины 1980-х, но необходимость в ней постепенно уменьшалась, и со временем ее заменили более совершенные системы раннего обнаружения.

Однако значение “Вихря” и “Мудреца” для развития ВТ и программирования трудно переоценить. На деньги американских налогоплательщиков в компьютерном мире были созданы:

• первая ЭВМ, работавшая в режиме реального времени;
• память на магнитных сердечниках (МОЗУ);
• механизм дуплексирования ЭВМ (режим “горячего” резерва);
• “световая пушка”;
• интерактивная машинная графика;
• генераторы знаков и векторов для дисплея;
• аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи;
• метод DMA;
• принцип допускового контроля электронных ламп;
• модем;
• метод передачи информации в цифровой форме по телефонным каналам;
• первая распределенная сеть ЭВМ;
• программы для работы в режимах реального времени и разделения времени;
• диагностические программы для обнаружения дефектных компонентов;
• алгебраический компилятор;
• язык программирования высокого уровня JOVIAL;
• структурированные программные модули;
• онлайновые базы данных.

Технологии, использованные в “Мудреце” и “Вихре”, нашли применение в SABRE (Semi - Automatic Business - Research Environment) — системе бронирования мест на самолетах, которую IBM создала в 1964 г., и в различных системах контроля за полетами гражданских авиаперевозчиков и космических аппаратов.

Многие участники проектов, приобретя бесценный опыт, стали разработчиками новых средств ИТ и возглавили известные последствии компании. Так, Кеннет Олсен (Kenneth Olsen, р. 1926) основал в 1957 г. корпорацию Digital Equipment (DEC), которая начала производство мини-компьютеров, совершив своеобразную революцию в ВТ; бывший сотрудник Линкольновской лаборатории Лоуренс Робертс (Lawrence Roberts, р. 1937) в 1965 г. перешел в отделение технологий обработки информации (Information Processing Techniques Office, IPTO) управления перспективных исследований и разработок Министерства обороны США (Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA), где стал одним из основных разработчиков компьютерной сети ARPANET, предшественницы Интернета. Эти примеры можно было бы множить, но я закончу статью упоминанием о дальнейшей судьбе создателей “Вихря”.

Форрестер оставался руководителем отделения VI до 1956 г., но затем резко изменил направление научной деятельности, посвятив себя исследованиям динамики производственных, а также мировых социальных и экономических процессов. Он стал профессором Слоуновской школы менеджмента при MIT и основоположником новой дисциплины — системной динамики. Эверетт сначала заменил шефа на посту руководителя отделения VI, а с 1969 по 1986 гг. “президентствовал” в корпорации MITRE. За работы по использованию вычислительных машин в режиме реального времени президент США Джордж Буш в 1989 г . наградил обоих создателей “Вихря” Национальной медалью за достижения в технике (National Medal of Technology ) — высшей правительственной наградой для инженеров Соединенных Штатов.

Примечания

1.Sage (англ.) — мудрец.

2. Эверетт писал: “ Лампы могли выходить из строя по трем причинам. Первая — род так называемой “детской смертности”, эта причина могла быть преодолена предварительной тренировкой всех ламп. Вторая — механические проблемы, соответствующая конструктивная защита. Мы использовали специальные лампы и кооперировались со многими компаниями, платя от 5 до 10 долл. за штуку, что в те дни было очень высокой ценой. Третья причина — постепенное уменьшение катодной эмиссии, связанное со старением ламп…”.

Из Цикла статей Ю. Полунова "Исторические машины".
Статья опубликована в PCWeek/RE № 17 и № 35 2007 г.

Статья помещена в музей 29.09.2007 года