Whirlwind I

Fiche rapide

• Nom : Whirlwind I
• Institution : Massachusetts Institute of Technology (MIT)
• Début du projet : 1944
• Mise en service : 1951
• Responsables principaux : Jay W. Forrester et Robert Everett
• Architecture : 16 bits
• Technologie logique : tubes électroniques
• Mémoire principale à partir de 1953 : 2 048 mots de 16 bits
• Temps d’accès de la mémoire à tores : environ 8 microsecondes
• Affichage : tubes cathodiques
• Périphériques : rubans perforés, Flexowriter, bandes magnétiques, tambours et dispositifs d’affichage
• Domaines d’utilisation : recherche, calcul en temps réel et expérimentation pour la défense aérienne

1944 : un simulateur de vol à l’origine du projet

Le projet Whirlwind débute en 1944, lorsque l’US Navy confie au MIT le développement d’un système destiné à simuler le comportement de différents avions. L’objectif est de construire un simulateur universel, plutôt que de fabriquer un équipement spécifique pour chaque type d’appareil.

Les premières études s’orientent vers des techniques analogiques, courantes à l’époque pour la simulation. Elles montrent cependant rapidement leurs limites. Un simulateur de vol doit résoudre simultanément de nombreuses équations tout en fournissant une réponse assez rapide pour que le pilote perçoive immédiatement l’effet de ses commandes.

Les progrès récents de l’électronique numérique conduisent progressivement l’équipe à abandonner l’approche analogique. Le projet change alors de nature : plutôt que de construire un simulateur spécialisé, les ingénieurs entreprennent de réaliser un ordinateur numérique électronique rapide et programmable.

Une machine conçue pour le temps réel

La caractéristique fondamentale de Whirlwind n’est pas seulement sa vitesse. Les calculateurs traditionnels reçoivent généralement un problème, effectuent une série d’opérations puis produisent un résultat. Dans un simulateur ou un système de contrôle, cette organisation ne suffit plus.

Whirlwind doit recevoir en permanence des informations provenant de l’extérieur, les traiter puis produire une réponse avant que la situation ait changé. Le calculateur fonctionne donc selon une boucle continue : entrée → calcul → affichage ou commande → nouvelle entrée

Cette manière de travailler correspond à ce que l’on appellera le calcul en temps réel. Lorsque Whirlwind devient opérationnel en 1951, cette capacité constitue l’une de ses caractéristiques les plus importantes.

Une architecture de 16 bits

Whirlwind travaille avec des mots de 16 bits. Les données et les instructions circulent en parallèle entre les principales unités de la machine. La documentation technique du MIT décrit ainsi des liaisons permettant de transmettre simultanément les 16 bits d’un mot entre les registres, l’unité arithmétique, la mémoire et certains périphériques.

Cette organisation permet d’effectuer rapidement les opérations nécessaires au fonctionnement en temps réel. Le jeu d’instructions reste relativement compact : l’objectif n’est pas de multiplier les opérations spécialisées, mais de disposer d’une machine rapide, prévisible et suffisamment souple pour être reprogrammée selon les expériences.

Une machine de plusieurs milliers de tubes

Whirlwind appartient encore à la première génération d’ordinateurs électroniques. Sa logique repose sur plusieurs milliers de tubes électroniques, auxquels s’ajoutent de nombreux composants, alimentations et dispositifs de contrôle.

La machine occupe une surface considérable dans le Barta Building du MIT. Son installation principale représente plus de 200 mètres carrés. Les circuits sont répartis dans de nombreuses baies afin que les techniciens puissent accéder aux différents sous-ensembles.

Cette disposition répond à une nécessité : les tubes chauffent, vieillissent et peuvent tomber en panne. La machine doit donc être conçue de manière à faciliter les tests, le diagnostic et le remplacement des composants défectueux. Whirlwind est autant une machine à calculer qu’un système que l’on doit pouvoir observer, tester et réparer.

Le problème de la mémoire

La mémoire constitue l’un des principaux obstacles à la construction d’un ordinateur rapide et fiable. Whirlwind utilise d’abord une mémoire électrostatique fondée sur des tubes cathodiques. Cette solution permet un accès rapide, mais sa stabilité reste insuffisante pour une machine appelée à fonctionner pendant de longues périodes.

Sous la direction de Jay Forrester, les équipes du MIT travaillent alors sur une autre technologie : la mémoire à tores magnétiques.

Cette mémoire repose sur de minuscules anneaux de ferrite traversés par des fils électriques. Chaque tore peut être aimanté dans l’un de deux sens correspondant aux deux valeurs binaires, 0 et 1. Contrairement aux systèmes électrostatiques, l’état magnétique reste conservé lorsque l’alimentation est coupée.

Le Memory Test Computer

Le développement de la mémoire à tores nécessite de nombreux essais sur les matériaux, les courants électriques, les circuits de lecture et l’organisation des matrices. Afin de ne pas immobiliser constamment Whirlwind, le Lincoln Laboratory construit une machine spécialement destinée à ces expérimentations : le Memory Test Computer, ou MTC.

Le jeune ingénieur Ken Olsen, futur cofondateur de Digital Equipment Corporation, participe à ce travail. Cette expérience lui permet de travailler sur la mémoire, les circuits rapides, le diagnostic des pannes et l’organisation modulaire du matériel.

Le MTC permet de tester les nouvelles mémoires dans des conditions proches de celles d’un véritable ordinateur avant leur installation sur Whirlwind.

1953 : la mémoire à tores entre en service

Les résultats sont suffisamment convaincants pour que la nouvelle mémoire soit installée sur Whirlwind. Le 8 août 1953, une première banque de mémoire à tores est raccordée à la machine. Une seconde est ajoutée quelques semaines plus tard.

Whirlwind dispose alors de 2 048 mots de 16 bits, répartis en deux banques de 1 024 mots. Le temps d’accès est d’environ 8 microsecondes.

Cette capacité paraît dérisoire aujourd’hui, mais l’intérêt principal réside dans la vitesse et surtout dans la fiabilité de la nouvelle technologie.

Une amélioration spectaculaire de la fiabilité

L’installation de la mémoire à tores transforme le fonctionnement quotidien de Whirlwind. Selon les archives du MIT Lincoln Laboratory, le temps consacré à la maintenance de la mémoire passe d’environ quatre heures par jour à deux heures par semaine.

L’intervalle moyen entre deux défaillances de mémoire passe d’environ deux heures à deux semaines. La vitesse de fonctionnement de la machine augmente également et le débit des données d’entrée est fortement amélioré.

La mémoire à tores devient rapidement l’une des technologies fondamentales de l’informatique. Elle équipera une grande partie des ordinateurs des années 1950 et 1960 avant d’être progressivement remplacée par les mémoires à semi-conducteurs dans les années 1970.

Voir directement ce que fait l’ordinateur

Whirlwind innove également dans la manière de présenter l’information à l’opérateur. La machine utilise des écrans à tube cathodique capables d’afficher des points, des lignes et des symboles calculés directement par l’ordinateur.

Au début des années 1950, les équipes expérimentent également un dispositif de pointage lumineux parfois appelé light gun. L’opérateur peut viser une information affichée à l’écran. Le système détecte la position correspondante et permet au programme d’identifier l’élément désigné.

Ce principe annonce le crayon lumineux qui sera utilisé quelques années plus tard sur des machines comme le TX-0 ou le PDP-1.

L’écran cesse ainsi d’être un simple dispositif de contrôle technique. Il devient progressivement une interface permettant à un opérateur de travailler directement avec les informations produites par la machine.

Du simulateur de vol à la défense aérienne

Le simulateur de vol prévu au départ ne sera finalement pas la principale application de Whirlwind. À la fin des années 1940 et au début des années 1950, la guerre froide transforme les priorités militaires américaines. La possibilité d’une attaque aérienne à grande vitesse exige un système capable de rassembler et d’analyser les informations provenant de nombreux radars.

Les méthodes traditionnelles reposent encore largement sur des opérateurs chargés de transmettre et de reporter manuellement les positions détectées. Cette organisation devient trop lente face à des avions rapides.

Whirlwind offre une autre possibilité : transmettre automatiquement les données radar à un calculateur, mettre continuellement à jour la situation puis présenter les informations aux opérateurs sur des écrans.

Au début des années 1950, la machine participe ainsi aux expériences du Cape Cod System, qui démontrent qu’un réseau de radars peut être relié à un ordinateur fonctionnant en temps réel.

Ces travaux conduisent au gigantesque système SAGE, pour Semi-Automatic Ground Environment.

Whirlwind, ancêtre technologique de SAGE

SAGE reprend à grande échelle plusieurs principes expérimentés avec Whirlwind :

• réception automatique des informations radar ;
• traitement continu des données ;
• mise à jour permanente d’une représentation de la situation ;
• affichage graphique devant les opérateurs ;
• interaction directe avec les informations affichées ;
• fortes exigences de disponibilité et de fiabilité.

Les ordinateurs utilisés ensuite dans les centres SAGE seront beaucoup plus imposants que Whirlwind, mais le projet du MIT a permis de valider une grande partie des principes fondamentaux du système.

Whirlwind devient ainsi le banc d’essai d’une nouvelle catégorie d’informatique : une machine qui ne se contente plus d’exécuter un programme puis de s’arrêter, mais qui doit rester active et suivre en permanence l’évolution du monde extérieur.

Des archives exceptionnellement riches

L’histoire de Whirlwind est aujourd’hui particulièrement bien documentée. Les archives du MIT conservent une vaste collection de Project Whirlwind Reports, comprenant des rapports techniques, mémorandums, schémas, programmes et documents de maintenance.

Ces archives décrivent très précisément l’architecture de la machine, sa mémoire, les entrées-sorties, les périphériques, les circuits logiques et les méthodes utilisées pour diagnostiquer les pannes.

Le Computer History Museum conserve également la MIT Computing Projects Subject Collection. Une partie importante de cette collection concerne Whirlwind et les machines qui lui succèdent, notamment le TX-0 et le TX-2.

Ces documents permettent de suivre non seulement l’histoire générale du projet, mais aussi la manière dont l’ordinateur a été conçu, câblé, programmé, testé et réparé.

Whirlwind dans les archives de Ken Olsen

Le lien entre Whirlwind et l’histoire de Digital Equipment Corporation apparaît particulièrement clairement dans les archives de Ken Olsen conservées au Computer History Museum.

Le fonds comprend des mémorandums, des rapports techniques, des dessins d’ingénierie et des schémas provenant du Servomechanisms Laboratory, du Digital Computer Laboratory et du Lincoln Laboratory. Plusieurs dossiers concernent directement Whirlwind ainsi que les travaux menant ensuite au TX-0 et au TX-2.

Cette documentation montre que certaines méthodes qui caractériseront plus tard DEC sont déjà présentes dans l’environnement technique où Olsen se forme :

• découpage de la machine en sous-ensembles identifiables ;
• tests séparés des différents modules ;
• importance du diagnostic et de la maintenance ;
• recherche d’une grande fiabilité ;
• connexion directe entre l’ordinateur et des équipements extérieurs.

L’histoire de DEC ne commence donc pas entièrement en 1957 dans le moulin de Maynard. Une partie de sa culture technique se forme auparavant dans les laboratoires du MIT.

De Whirlwind au TX-0 et au TX-2

Les archives du Computer History Museum établissent une continuité technique entre Whirlwind et les projets expérimentaux TX-0 et TX-2 développés au MIT Lincoln Laboratory.

Whirlwind repose encore essentiellement sur des tubes électroniques. Le TX-0 pousse au contraire beaucoup plus loin l’emploi du transistor.

Les préoccupations restent pourtant proches : mémoire rapide, interaction directe, affichage cathodique, entrées-sorties flexibles, modularité et possibilité de comprendre le fonctionnement interne de la machine.

Le TX-0 est achevé en 1956, puis transféré sur le campus du MIT en 1958. Il devient à son tour un lieu privilégié d’expérimentation informatique.

Du TX-0 au PDP-1

En 1957, Ken Olsen et Harlan Anderson quittent le Lincoln Laboratory et fondent Digital Equipment Corporation. La société commence par commercialiser des modules logiques avant de construire son premier ordinateur.

Lorsque le PDP-1 apparaît quelques années plus tard, la filiation avec les travaux menés au MIT et au Lincoln Laboratory est visible.

Le PDP-1 reprend plusieurs idées déjà présentes dans cette tradition :

• accès direct du programmeur à la machine ;
• connexion relativement ouverte de périphériques expérimentaux ;
• affichage graphique ;
• importance des entrées-sorties ;
• organisation modulaire facilitant la compréhension et la maintenance.

La filiation peut être résumée ainsi :

Whirlwind → Memory Test Computer → TX-0 / TX-2 → DEC → PDP-1

Il ne s’agit pas seulement d’une ressemblance entre plusieurs machines. Les ingénieurs, les circuits, les technologies et les méthodes de conception circulent réellement d’un projet au suivant.

Pourquoi Whirlwind est important

Whirlwind n’est ni le premier ordinateur électronique ni le premier ordinateur à programme enregistré. Son importance historique se situe ailleurs.

Il contribue à transformer la fonction même de l’ordinateur. La vitesse n’est plus recherchée uniquement pour terminer un calcul plus rapidement : elle doit permettre à la machine de suivre un phénomène pendant qu’il se produit.

La mémoire à tores apporte une mémoire rapide et fiable. L’affichage cathodique rend les informations directement visibles. Les dispositifs de pointage permettent à l’opérateur d’agir sur ce qu’il voit. Les entrées-sorties connectent le calculateur à des radars et à d’autres équipements extérieurs.

Whirlwind occupe ainsi une place particulière dans l’histoire de l’informatique. Conçu à l’origine pour simuler le comportement d’un avion, il contribue finalement à faire émerger une nouvelle conception du calculateur : un système qui reçoit, observe, affiche et répond.

Cette conception se retrouvera dans SAGE, puis dans les machines expérimentales du Lincoln Laboratory et, quelques années plus tard, dans les ordinateurs interactifs de Digital Equipment Corporation.

Sources principales :

• MIT, Project Whirlwind Reports.
• MIT Digital Computer Laboratory, The Whirlwind I Computer, 1955.
• MIT Lincoln Laboratory, archives historiques consacrées à Whirlwind, à la mémoire à tores et à SAGE.
• Computer History Museum, MIT Computing Projects Subject Collection.
• Computer History Museum, Digital Equipment Corporation Records — Ken Olsen Papers.
• Computer History Museum, documentation consacrée aux origines du PDP-1.

Photo : Daderot — Wikimedia Commons — Domaine public — source.