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훨윈드 I

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목차

1. 개요

훨윈드 I은 제2차 세계 대전 중 미국 해군이 폭격기 승무원 훈련용 비행 시뮬레이터를 위해 개발을 의뢰한 디지털 컴퓨터이다. 1945년 디지털 컴퓨터의 가능성이 제기된 후, MIT 서보 기구 연구소에서 개발을 진행하여 1951년 4월 20일에 완성되었다. 16비트 병렬 처리 방식을 사용하고 자기 코어 메모리를 탑재하여 당시 세계 최고속 컴퓨터로 평가받았다. 초기에는 윌리엄스관을 사용했으나, 자기 코어 메모리 기술을 통해 성능을 크게 향상시켰다. 이 기술은 SAGE 방공 시스템에 활용되었으며, IBM이 AN/FSQ-7을 제조하는 데 기여했다. 훨윈드는 약 5,000개의 진공관을 사용했으며, 켄 올슨이 이 설계를 기반으로 트랜지스터화된 TX-0을 개발하여 DEC PDP-1의 기반이 되었다.

2. 배경

제2차 세계 대전 동안, 미국 해군의 해군 연구소는 MIT에 폭격기 승무원 훈련용 비행 시뮬레이터를 구동할 컴퓨터 제작 가능성에 대해 문의했다.[5] 그들은 조종사의 제어 입력에 따라 시뮬레이션된 계기판을 지속적으로 업데이트하는 비교적 단순한 시스템을 구상했다. 링크 트레이너와 같은 구형 시스템과 달리, 그들이 구상한 시스템은 모든 유형의 항공기에 적용할 수 있는 훨씬 더 현실적인 공기역학 모델을 갖추게 될 것이었다. 당시에는 많은 새로운 설계가 도입되고 있었기 때문에 이는 중요한 고려 사항이었다.

MIT 32동에 있는 서보 기구 연구소는 그러한 시스템이 가능하다는 결론을 내리는 짧은 조사를 실시했다. 해군의 해군 연구국은 ''프로젝트 훨윈드''(그리고 자매 프로젝트인 프로젝트 태풍 및 사이클론, 다른 기관과 함께)에 대한 개발 자금을 지원하기로 결정했고,[6] 연구소는 제이 포레스터를 이 프로젝트의 책임자로 임명했다. 그들은 곧 이 작업을 위해 대형 아날로그 컴퓨터를 제작했지만, 부정확하고 유연성이 부족하다는 것을 발견했다. 이러한 문제를 일반적인 방식으로 해결하려면 훨씬 더 큰 시스템, 아마도 제작이 불가능할 정도로 큰 시스템이 필요했을 것이다.

1945년, 페리 O. 크로포드 주니어는 ENIAC의 시연을 보고 디지털 컴퓨터가 최상의 해결책이 될 것이라고 제안했다. 이러한 기계는 기계에 부품을 추가하는 대신, 컴퓨터 프로그램에 더 많은 코드를 추가하여 시뮬레이션의 정확도를 향상시킬 수 있게 해 줄 것이었다. 기계가 충분히 빠르기만 하다면, 시뮬레이션의 복잡성에 이론적인 제한은 없었다.

이 시점까지 제작된 모든 컴퓨터는 단일 작업에 전념했으며, 일괄 처리 모드로 실행되었다. 일련의 입력이 미리 설정되어 컴퓨터에 공급되었고, 컴퓨터는 답을 계산하고 인쇄했다. 이는 끊임없이 변화하는 일련의 입력에 대해 지속적으로 작동해야 하는 훨윈드 시스템에는 적합하지 않았다. 속도가 주요 문제로 부상했다. 다른 시스템에서는 인쇄물을 더 오래 기다리는 것을 의미했지만, 훨윈드에서는 시뮬레이션이 포함할 수 있는 복잡성의 양을 심각하게 제한하는 것을 의미했다.

3. 기술적 특징

제2차 세계 대전 동안, 미국 해군의 해군 연구소는 MIT에 폭격기 승무원 훈련용 비행 시뮬레이터를 구동할 컴퓨터 제작 가능성에 대해 문의했다. 링크 트레이너와 같은 구형 시스템과 달리, 미 해군이 구상한 시스템은 모든 유형의 항공기에 적용할 수 있는 훨씬 더 현실적인 공기역학 모델을 갖추는 것이었다. 당시에는 많은 새로운 설계가 도입되고 있었기 때문에 이는 중요한 고려 사항이었다.[5]

MIT 32동에 있는 서보 기구 연구소는 짧은 조사를 통해 그러한 시스템이 가능하다는 결론을 내렸다. 해군의 해군 연구국은 ''프로젝트 훨윈드''에 대한 개발 자금을 지원하기로 결정했고, 제이 포레스터를 이 프로젝트의 책임자로 임명했다. 그들은 이 작업을 위해 대형 아날로그 컴퓨터를 제작했지만, 부정확하고 유연성이 부족하다는 것을 발견했다. 페리 O. 크로포드 주니어는 1945년에 ENIAC의 시연을 보고 디지털 컴퓨터가 최상의 해결책이 될 것이라고 제안했다. 디지털 컴퓨터는 기계에 부품을 추가하는 대신, 컴퓨터 프로그램에 더 많은 코드를 추가하여 시뮬레이션의 정확도를 향상시킬 수 있었다. 기계가 충분히 빠르기만 하다면, 시뮬레이션의 복잡성에 이론적인 제한은 없었다.[6]

당시까지 제작된 모든 컴퓨터는 단일 작업에 전념했으며, 일괄 처리 모드로 실행되었다. 이는 끊임없이 변화하는 입력에 대해 지속적으로 작동해야 하는 훨윈드 시스템에는 적합하지 않았다. 속도가 주요 문제로 부상했는데, 다른 시스템에서는 속도가 느리면 인쇄물을 더 오래 기다리면 되었지만, 훨윈드에서는 시뮬레이션이 포함할 수 있는 복잡성의 양을 심각하게 제한하는 것을 의미했다.

3. 1. 설계 및 구조

1947년, 제이 포레스터와 로버트 에버렛은 고속 프로그램 내장 방식 컴퓨터 설계를 완료했다.[8] 당시 대부분의 컴퓨터는 한 번에 한 비트씩 처리하는 ''비트 직렬'' 모드로 작동했지만, 훨윈드는 ''비트 병렬'' 방식으로 작동하여 속도를 향상시켰다.[7] 메모리 속도를 무시하면 훨윈드는 다른 기계보다 실질적으로 16배 더 빨랐다.[7] 오늘날 거의 모든 CPU는 "비트 병렬" 모드로 산술 연산을 수행한다.

훨윈드의 워드 길이는 16비트로, 신중한 고려 끝에 선택되었다.[8] 이 기계는 명령어와 함께 단일 주소를 전달하여 메모리 접근 횟수를 줄이는 방식으로 작동했다. 설계자들은 2048 단어의 메모리가 최소 사용 가능한 양이 될 것이라고 생각했고, 주소를 표현하기 위해 11비트, 16~32개의 명령어를 위해 5비트가 필요하다고 판단하여 16비트로 결정했다.[8]

훨윈드 건설은 1948년에 시작되었으며, 175명이 이 작업에 참여했다.[10] 1949년 3분기에 컴퓨터는 방정식을 풀고 그 해를 오실로스코프에 표시할 수 있을 정도로 발전했으며,[16][11] 1951년 4월 20일에 작동을 시작했다.[14][16]

3. 2. 메모리 시스템

초기에는 수은 지연선이나 정전기 저장 장치를 메모리로 사용하려고 했다. 수은 지연선은 수은으로 채워진 긴 튜브를 이용해 데이터를 저장했는데, 소리 속도로 작동하여 느리고 온도에 민감하다는 단점이 있었다. 정전기 저장 장치는 음극선관을 사용했지만, MIT에서 개발한 튜브는 접근 시간이 느리고 안정성이 떨어졌다.[5]

제이 포레스터는 이러한 문제로 인해 더 나은 메모리 기술을 찾기 시작했고, 결국 자기 코어 메모리를 발명했다. 1953년에 구현된 자기 코어 메모리는 훨윈드의 성능을 크게 향상시켰다. 덧셈 시간은 8마이크로초, 곱셈 시간은 25.5마이크로초로 단축되었으며, 메모리 접근 시간도 8,500마이크로초에서 8마이크로초로 크게 개선되었다. 이 덕분에 훨윈드는 당시 세계에서 가장 빠른 컴퓨터가 되었으며, SAGE 시스템에 사용될 수 있을 만큼 충분한 성능을 갖추게 되었다.[6]

3. 3. 진공관

훨윈드는 약 5,000개의 진공관을 사용했다.[20] 많은 수의 진공관은 하나의 진공관 고장만으로도 시스템 고장을 일으킬 수 있어 문제가 되었다. 당시 표준 펜토드는 6AG7이었지만, 1948년 테스트 결과 수명이 너무 짧다는 것이 밝혀졌다. 그 결과 7AD7이 대신 선택되었지만, 이것 역시 사용 중 고장률이 너무 높았다.

조사 결과 히터 필라멘트의 텅스텐 합금에 포함된 실리콘이 음극 중독을 일으키는 것으로 밝혀졌다. 바륨 정규 규산염 침전물이 음극에 형성되어 전자 방출 기능을 감소시키거나 방해했다. 이후 고순도 텅스텐 필라멘트를 가진 7AK7 진공관이 실바니아 일렉트릭 프로덕츠에 의해 훨윈드용으로 특별히 개발되었다.[20]

음극 중독은 히터가 켜진 상태에서 진공관이 차단 상태로 작동할 때 가장 심했다. 상업용 진공관은 이러한 상태에서 거의 작동하지 않는 라디오 및 텔레비전과 같은 아날로그 애플리케이션용으로 설계되었다. 아날로그 애플리케이션은 진공관을 선형 영역에 유지하는 반면, 디지털 애플리케이션은 진공관을 차단과 완전 전도 사이에서 전환하여 선형 영역을 짧게 통과한다. 또한, 상업용 제조업체들은 자사 진공관이 하루에 몇 시간만 사용될 것으로 예상했다.[20]

이 문제를 완화하기 위해 오랫동안 스위칭이 예상되지 않는 진공관에서는 히터를 껐다. 히터 전압은 히터 필라멘트에 열충격을 피하기 위해 느린 램프 파형으로 켜고 꺼졌다.[21]

이러한 조치에도 불구하고 필요한 신뢰성을 달성하기에는 충분하지 않았다. 초기 결함은 유지 보수 기간 동안 진공관을 테스트하여 사전에 찾아냈다. 진공관의 설계 여백까지 전압과 신호를 가했기 때문에, 진공관은 '한계 테스트'라고 불리는 하드웨어 스트레스 테스트를 받았다. 이러한 테스트는 사용 중에 고장 났을 진공관의 조기 고장을 유발하도록 설계되었다. 이 테스트는 테스트 프로그램에 의해 자동으로 수행되었다.[20]

1950년 유지 보수 통계는 이러한 조치의 성공을 보여준다. 사용 중인 1,622개의 7AD7 진공관 중 243개가 고장 났으며, 이 중 168개는 한계 테스트로 발견되었다. 사용 중인 1,412개의 7AK7 진공관 중 18개가 고장 났으며, 이 중 2개만 한계 검사 중에 고장 났다. 그 결과 훨윈드는 상업적으로 이용 가능한 어떤 기계보다 훨씬 더 신뢰성이 높았다.[20]

훨윈드 진공관 테스트 체제의 많은 다른 기능들은 표준 테스트가 아니었고 특별히 제작된 장비가 필요했다. 특별한 테스트가 필요했던 한 가지 조건은 진공관 내부에 솜털과 같은 작은 물체로 인해 몇몇 진공관에서 순간적인 단락이 발생하는 것이었다. 간헐적인 스퓨리어스 단락 펄스는 아날로그 회로에서는 사소한 문제이거나 전혀 눈에 띄지 않을 수도 있지만, 디지털 회로에서는 치명적일 수 있다. 이러한 현상은 표준 테스트에서는 나타나지 않았지만 유리 외피를 두드려 수동으로 발견할 수 있었다. 이 테스트를 자동화하기 위해 사이라트론 트리거 회로가 제작되었다.[21]

4. 방공 시스템으로의 응용

잭 해링턴의 장비와 상업용 전화선을 사용하여 한스콤 비행장의 실험용 마이크로파 조기 경보(MEW) 레이더에 연결한 후[22], 항공기는 휠윈드 I에 의해 추적되었다.[23] 이후 케이프 코드 시스템은 남부 뉴잉글랜드를 커버하는 컴퓨터화된 방공을 시연했다. 세 대의 장거리 (AN/FPS-3) 레이더, 열한 대의 갭 필러 레이더, 세 대의 고도 측정 레이더로부터의 신호가 전화선을 통해 매사추세츠주 캠브리지의 휠윈드 I 컴퓨터로 전송되었다. 더 크고 빠른 기계인 휠윈드 II (완성되지 않음)의 설계는 SAGE 방공 시스템인 IBM AN/FSQ-7 전투 지휘 중앙의 기반이 되었다.

5. 유산

켄 올슨은 훨윈드 설계를 트랜지스터 형태로 변환하려는 노력을 시작했으며, 이는 TX-0으로 알려졌다. TX-0은 매우 성공적이었고, 더 큰 버전인 TX-1을 만들 계획도 세워졌으나, 너무 야심찬 계획이었기에 TX-2라는 더 작은 버전으로 축소되었다. 올슨은 디지털 이큅먼트 코퍼레이션(DEC)를 설립하기 위해 중간에 프로젝트를 떠났으며, DEC의 PDP-1은 TX-0과 TX-2의 개념을 모아놓은 것이다.[24]

SAGE 지원 이후, 훨윈드 I은 1959년 6월 30일부터 1974년까지 프로젝트의 일원이었던 빌 울프(Bill Wolf)에게 1년에 1USD에 임대되었다.[25][26][27]

켄 올슨과 로버트 에버렛은 이 기계를 보존하여 1979년 보스턴 컴퓨터 박물관 설립에 기여했다. 현재 훨윈드의 부품들은 컴퓨터 역사 박물관과 MIT 박물관 등에 소장되어 있다.[28] 2009년 2월에는 코어 메모리 유닛이 매사추세츠주 윌섬의 찰스 리버 산업 혁신 박물관에 전시되었다.

참조

[1] 서적 Project Whirlwind: The History of a Pioneer Computer https://books.google[...] Digital Press 2012-12-31
[2] 간행물 Compaq donates historic SAGE, Whirlwind artifacts to museum http://web.mit.edu/n[...] 2013-08-12
[3] 서적 Grace Hopper and the Invention of the Information Age Book Baby
[4] 간행물 A DEC History of Minicomputers 1982-05
[5] 기타 An Interview with DOUGLAS T. ROSS http://purl.umn.edu/[...] 2013-08-12
[6] 웹사이트 Project Whirlwind is a high-speed computer activity sponsored at the Digital Computer Laboratory, formerly a part of the Servomechanisms Laboratory, of the Massachusetts Institute of Technology (MIT) by the US Office of Naval Research (ONR) and the United States Air Force. IEEE Computer Society https://www.computer[...]
[7] 간행물 The Whirlwind I computer http://research.micr[...] ACM 2013-08-12
[8] 보고서 Report R-127 Whirlwind I Computer Block Diagrams http://www.bitsavers[...] Servomechanisms Laboratory, MIT 2012-12-31
[9] 기타 An Interview With Fernando J. Corbató http://purl.umn.edu/[...] 2013-08-12
[10] 서적 Computer Architecture and Organization McGraw-Hill International Book Company
[11] 간행물 2. Whirlwind I https://apps.dtic.mi[...] 1950-01-01
[12] 서적 The History of Visual Magic in Computers: How Beautiful Images are Made in CAD, 3D, VR and AR https://books.google[...] Springer Science & Business Media 2013-06-13
[13] 서적 Computer graphics; utility, production, art https://books.google[...] Thompson Book Co. 1967
[14] 서적 When Computers Went to Sea: The Digitization of the United States Navy https://books.google[...] John Wiley & Sons 2003-04-16
[15] 웹사이트 WHIRLWIND-I http://ed-thelen.org[...] 1955-12
[16] 웹사이트 Project Whirlwind https://archive.org/[...] The MITRE Corporation 2016-07-22
[17] 웹사이트 FERROELECTRICS FOR DIGITAL INFORMATION STORAGE AND SWITCHING http://dome.mit.edu/[...] 2023-10-19
[18] 웹사이트 THE FERROELECTRIC SWITCH http://dome.mit.edu/[...] 2023-10-19
[19] 웹사이트 Full Page Reload https://spectrum.iee[...]
[20] 서적 AN/FSQ-7: The Computer that Shaped the Cold War Walter de Gruyter GmbH
[21] 간행물 Component failure analysis in computers Radio-Television Manufacturers Association
[22] 서적 The SAGE Air Defense System: A Personal History https://books.google[...] MITRE Corporation 2013-08-12
[23] 보고서 Overview of the Lincoln Laboratory Ballistic Missile Defense Program http://www.ll.mit.ed[...] 2012-12-31
[24] 웹사이트 dec.digital_at_work https://www.computer[...] Digital Equipment Corporation 1992
[25] 서적 No e Xlibris 2005
[26] 웹사이트 William M. Wolf
August 29, 1928 - April 25, 2015 https://www.latimes.[...] 2024-03-27
[27] 웹사이트 Whirlwind Move https://cdn.librarie[...] 2024-03-27
[28] 웹사이트 The Whirlwind Computer at CHM https://computerhist[...] 2024-02-05
[29] 웹사이트 Plenty of computing history in N42 http://web.mit.edu/n[...] MIT News Office 1998-01-14
[30] 웹인용 Plenty of computing history in N42 http://web.mit.edu/n[...] MIT News Office 1998-01-14


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