Whirlwind

Whirlwind（ホワールウィンド） - 世界初のリアルタイムコンピュータ

Whirlwindは、マサチューセッツ工科大学（MIT）で開発された画期的なコンピュータです。その最大の特徴は、世界で初めてリアルタイム処理を可能にした点にあります。従来のコンピュータとは異なり、連続的に変化する入力データに対応し、即座に計算結果を出力する能力を備えていました。また、世界初のモニター端末を搭載し、従来の機械システムを電子的に置き換える新たなコンピューティングの形を示しました。Whirlwindの開発は、後のコンピュータ技術に大きな影響を与え、特にアメリカ空軍のSAGEシステムや1960年代の商用コンピュータの発展に重要な役割を果たしました。

開発の背景

第二次世界大戦中、アメリカ海軍はMITに対し、爆撃機の乗組員訓練用フライトシミュレータの制御コンピュータ開発を依頼しました。当初の構想は、パイロットの操作に応じて計器盤の表示をリアルタイムでシミュレートするというものでした。しかし、従来のリンクトレーナとは異なり、空気力学モデルに基づいたより高度なシミュレーションが求められ、様々な航空機の訓練に適用できる柔軟性が必要とされました。

MITサーボ機構研究室はこの要求に応えるべく、「Project Whirlwind」を立ち上げ、ジェイ・フォレスターがプロジェクト責任者に任命されました。初期段階では大型のアナログコンピュータが開発されましたが、その精度と柔軟性の限界から、より強力なデジタルコンピュータの開発が検討されることになりました。1945年、MITのジェリー・クローフォードがENIACのデモンストレーションを見て、デジタルコンピュータがこの課題を解決する可能性を示唆しました。デジタル方式であれば、プログラムを追加するだけでシミュレーションの精度を高めることができると考えられたのです。

しかし当時のコンピュータは、一度に一つのタスクを実行するバッチ処理用に設計されており、リアルタイム処理には不向きでした。Whirlwindでは、連続的に変化する入力データに対して即座に計算を行う必要があり、速度が大きな課題となりました。従来のシステムのように計算結果の出力まで待つ余裕はなく、処理速度が遅ければシミュレーションの複雑さが極端に制限されてしまうため、高速な演算処理が必須とされたのです。

設計と製造

1947年、フォレスターとエヴァレットは高速なプログラム内蔵式コンピュータの設計を完了させました。当時のコンピュータの多くは、ビット直列式で動作していましたが、Whirlwindは16ビットを並列に処理するビット並列式を採用しました。これにより、メモリ速度を無視すれば、当時の他のコンピュータの16倍の速度を実現しました。現在では、ほとんどのコンピュータがこのビット並列式を採用しており、さらに32ビットや64ビットのワードを一度に処理するようになっています。

ワード長は、マシンの動作方法を考慮して決定されました。Whirlwindは命令毎に一つのメモリアドレスを指定して動作し、二つのオペランドに対する演算では、一方のオペランドは直前の命令のオペランドを使用するという方式を採用しました。このため、プログラムは逆ポーランド記法のような構造になりました。設計者は、最低でも2000ワード分のメモリが必要だと考え、アドレスのビット幅を11ビットとし、16～32種類の命令を識別するための命令コード用の5ビットを加えて、ワード長を16ビットに決定しました。このワード長の小ささは、ジョン・フォン・ノイマンがWhirlwindに興味を示さなかった理由の一つとされています。

マシンの製造は1948年から開始され、175人の技術者が3年をかけて完成させました。1951年4月20日に動作を開始したWhirlwindは、当初の海軍のフライトシミュレータ向けから、空軍のSAGEシステムへとその役割を移しました。冷戦の激化やジェット機の出現により、アメリカ空軍は未確認機の発見と要撃管制を自動化することが急務となっていたためです。

マシンの「コア」

初期のWhirlwindの速度は非常に遅く、実用には程遠いものでした。加算に49マイクロ秒、乗算に61マイクロ秒かかっていました。この遅さの主な原因は、主記憶装置としてウィリアムス管を使用していたことにありました。フォレスターはこれを改善する技術を探し、最終的に磁気コアメモリにたどり着きました。この磁気コアメモリの導入により、性能は約2倍（40KIPS）に向上しました。Whirlwind Iは、磁気コアメモリを搭載した最初のコンピュータとなりました。

磁気コアメモリの実装により、Whirlwindは当時の世界最高速コンピュータとなりました。加算時間は8マイクロ秒、乗算時間は25.5マイクロ秒、除算は57マイクロ秒に短縮され、磁気ドラムメモリでのアクセス時間が8,500マイクロ秒だったのに対し、磁気コアメモリでは8マイクロ秒に改善されました。また、1940年代後半には、Whirlwindで初めて桁上げ保存乗算器が登場しました。

この性能向上によって、SAGEシステムで十分に使用できるレベルに達し、量産機であるAN/FSQ-7が製造されました。当初、RCAが有力候補でしたが、最終的にIBMが製造業者に選ばれました。IBMはこの経験を活かし、後にSABREシステム（航空機のチケット予約システム）を開発し、リアルタイム技術を商用化しました。

Whirlwindのその後

Whirlwind IIは、1959年6月30日までSAGEのサポート役として活躍しました。その後、プロジェクトメンバーのビル・ウルフが1ドルで借り受け、1970年代後半まで所有していました。その後、ケン・オルセンが買い取り一時的に所有しましたが、スミソニアン博物館に寄贈されました。

Whirlwindは、約5000本の真空管で構成されていました。ケン・オルセンは、そのデザインをトランジスタ化したTX-0を開発し、成功を収めました。さらに大規模化したTX-1が計画されましたが、規模を縮小したTX-2が完成しました。オルセンは、このプロジェクトから離脱し、デジタル・イクイップメント・コーポレーション社（DEC）を設立しました。DECのPDP-1は、TX-0とTX-2のコンセプトを基に、より小型化したコンピュータとして開発されました。

Whirlwindは、その画期的な設計思想と技術により、後のコンピュータ開発に大きな影響を与えました。特に、リアルタイム処理の概念や、磁気コアメモリなどの技術は、現代のコンピュータ技術の基礎となっています。

参考文献

John F. Jacobs, The SAGE Air Defense System: A Personal History (MITRE Corporation, 1986)
『コンピューター200年史 －情報マシーン開発物語－』M.キャンベル＝ケリー他(著)、山本菊男(訳)、海文堂（1999年）、ISBN 4-303-71430-5
P.HAYES, JOHN (1978,1979). Computer Architecture and Organization. pp. 21. ISBN 0-07-027363-4

外部リンク

Computer Structures: Readings & Examples — The Whirlwind I computer
* Whirlwind documentation

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