旋风计算机

要点

• 杰伊·赖特·福雷斯特在养牛场长大。
• 他在内布拉斯加大学工程学院就读，学习电气工程，并在麻省理工学院攻读研究生学位。
• 旋风的初始设计速度过慢，无法发挥实际作用。

杰伊·赖特·福雷斯特于1918年7月14日出生在内布拉斯加州安塞尔莫的一个养牛场。在当地高中时，他使用旧汽车零件建造了一个风力驱动的12伏特电力系统，为牧场提供了第一次电力。

高中毕业后，1936年他进入内布拉斯加大学工程学院学习电气工程，然后在1939年前往麻省理工学院攻读伺服机械的研究工作。他一直在麻省理工学院待到1944年，当时他选择了一项由海军赞助的计划，为测试新飞机设计而设计计算机（二战期间和战后大部分计算机开发都是由军方资助的，例如eniac和colossus项目）。

该计划是在美国海军的要求下启动的，要求麻省理工学院伺服机械实验室建造一个空气动力稳定性分析仪，本质上是一个原始的飞行模拟器。飞行员坐在座舱里，拉动操纵杆，伺服机构应该实时响应他的动作。问题是要使所有这些能够足够快地工作，使飞行员对飞机的感觉更加真实。

最初，福雷斯特和他的团队开始为这个任务建造一个大型模拟计算机，但很快发现它速度慢、准确性低且不灵活。解决这些问题通常需要一个更大的系统，甚至可能是一个无法建造的系统。在思考快速模拟计算的问题时，福雷斯特听说（来自麻省理工学院团队的一名成员，他看到了eniac的演示，并建议数字计算机是解决方案）mauchly、eckert和john von neumann（eniac和edvac）正在建造数字计算机。他与eckert和neumann进行了对话，并确信所需的是一台由电子管构建的快速数字计算机。1946年初，福雷斯特在他创建的新实验室启动了一个数字计算机项目，速度成为了这个项目的绝对目标，这就是后来被称为“旋风计划”的项目。

起初，福雷斯特计划建造一个像edvac一样的位串行电子计算机（edvac是一台具有自动加法、减法、乘法、程序化除法和超声波串行存储器自动检查功能的二进制串行计算机），但很快意识到这将会很慢。位串行计算机通过逐位计算来工作。

这样可以在计算过程中重复使用相同的硬件，从而简化设计。而另一种选择是使用位并行设计，使用多个基本硬件的副本在一次操作中计算出n位结果。位并行可能更快，但需要更多的硬件，导致电子管故障成为一个严重问题。

到1947年，福雷斯特和合作者robert everett完成了这个任务的高速存储程序计算机的设计-旋风。机器的建造始于1948年，共有175人参与，其中包括70名工程师和技术人员。

旋风计划花了3年时间建设，于1951年4月20日首次上线。该项目的预算为每年100万美元，经过3年后，海军失去了兴趣。然而，在此期间，空军对使用计算机来帮助地面控制拦截任务（冷战刚刚开始）产生了兴趣，而旋风计算机是唯一适合这项任务的机器。

福雷斯特研究了导致阀门在大约500小时后失效的原因，这意味着经常发生故障，他发现问题的原因是为了使镍的精炼更容易而加入的硅。不含硅的镍阴极使平均阀门寿命从500小时增加到500000小时。这一发现是使旋风计算机成为可能的关键因素。

另一个引人注目的创新将机器的可靠性进一步提高。旋风计算机可以改变每个阀门的栅极电压来测试即将发生的故障。

旋风计算机

福雷斯特已经解决了旋风计划设计中的大部分问题，但一个问题仍然存在——存储器。他意识到存储是一个关键问题。整个项目的成功取决于找到一种更可靠、更经济的存储方法。当时大多数存储器都是串行的，就像edvac一样。最早的快速大容量存储器基于将比特串循环传播为声脉冲的汞延时线。

在ssem中使用的威廉姆斯管是同样原理的更快版本。原始设计的旋风计算机的速度（20kips）被证明对于非常有用而言太慢了，大部分问题归因于用于256个字的主存储器的威廉姆斯管的相对较慢的速度。显像管显示出一系列点光斑的位模式，该模式通过光电池和反馈放大器进行循环。它的速度更快，但管子经常烧毁。

最初，旋风计算机使用了修改过的威廉姆斯管。额外的洪枪用于维持点模式，而写枪则用于改变模式。旋风计算机需要32个这样的管子来提供所需的4k字节存储器。假设管子的使用寿命为一个月，成本为1000美元，机器的运行成本非常高，每位每月1美元。

1949年，福雷斯特开始思考如何制造一种二维或三维形式的存储器，而不是通过延时线和威廉姆斯管表示的一维循环存储方法。在花费了很多时间思考这个问题后，他在一篇有关使用磁性材料作为放大器的文章中遇到了一篇文章。他还了解到中国工程师王安（an wang）设计的脉冲传输控制装置，该装置实现了“读后写”（基本上使磁芯存储器成为可能）。福雷斯特订购了一些材料，并建立了一个通过电流通过材料的环来磁化它朝两个方向之一。

这项工作成功了，但速度太慢。然后突破发生了！福瑞斯特提出了一个方案，涉及在一组电线的x-y网格上穿线磁性材料的环。每个环或磁芯都穿在独特的一对x-y电线上（见附近的照片）。第三根读/写电线穿过所有的磁芯。为了读或写一个位，改变磁芯磁化所需的一半电流被放置在x线和y线的一个上。只有两根电线交叉处的磁芯才会受到足够的电流来改变它的极性。这样就能直接访问数组中的每个位。

最初福瑞斯特对此是否会奏效有所疑虑。也许重复接触改变极性所需电流的一半最终会导致磁芯状态的缓慢退化。但事实并非如此，巧合电流核心存储器起作用了！专门建造了一台测试床计算机来验证这个原理。

然后，在1953年，whirlwind配备了一种新的磁核存储器，使其速度提高了一倍（高达40 kips），提高了可靠性并降低了运行成本。福瑞斯特在1951年申请了一项专利，该专利于1956年获得批准（参见专利us2736880）。在whirlwind首次亮相后，磁核存储器一直被用于计算机直到1970年代初。

jay forrester正在工作的是whirlwind。这名女性正在16英寸whirlwind显示控制台上工作。

whirlwind是当时最快的计算机。它的“首次”列表很长而令人印象深刻，但真正重要的是，whirlwind是第一台能够进行实时计算的计算机。它可以在两微秒内相加两个16位数，并且可以在二十微秒内将它们相乘。当然，whirlwind体积庞大，但只使用了4000个电子管，这不到eniac使用的电子管数量的四分之一——eniac是一台功能更弱的计算机。

指令和数据通过开关或穿孔磁带输入到内存中。还可以使用磁鼓（8kb）作为附加内存，以及磁带设备。whirlwind还是第一台使用图形显示的计算机（分辨率为256×256个点）。

whirlwind是第一台使用革命性新设备的计算机——光笔（见附近的图片），光笔在它的后继者sage中得到了充分的发展，用于通过在crt上选择它们来识别感兴趣的飞机。光笔是在20世纪50年代初由林肯实验室的工程师罗伯特·r·埃弗里特（福瑞斯特的助手，他在sage项目中也扮演了重要角色）开发的，他负责开发一种读取whirlwind计算机屏幕上的点位置以进行诊断目的的设备。

光笔感应到crt屏幕上的光，并导致计算机中断发生。这个过程只需要几微秒的时间，但足够计算机识别被指向的特定图形项。

福瑞斯特在1956年离开了该项目，当时它正顺利进行最后阶段。他的下一个构思，庞大的sage计算机系统于1960年代开始运行，并一直用作防空系统直到1980年代。

弗雷斯特如今进行了一项初看起来令人惊讶的职业转变。他成为了麻省理工学院斯隆管理学院的教授。然而，将他对电气系统的工程观点应用到人类系统领域将开辟新的道路。弗雷斯特专注于实证实验研究组织政策。他使用计算机模拟分析社会系统，并预测不同模型的影响。

这种方法被称为“系统动力学”，弗雷斯特也被认为是它的创造者。它已被广泛应用于各个领域。在20世纪70年代，弗雷斯特将其应用于全球问题，得出结论说：工业化与人口过多一样是扰乱全球平衡的重要问题。他出版了几本关于系统动力学的书籍，并获得了许多奖项和荣誉学位。1982年，弗雷斯特获得ieee计算机先锋奖；1989年，他获得了国家技术奖章；2006年，他入选了运筹学名人堂。