Исторические немеханические технологии памяти

Пожалуй, наиболее гениальной техникой была технология линии задержки . . Линия задержки - это любое устройство, которое задерживает распространение импульса или волнового сигнала. Если вы когда-либо слышали звуковое эхо взад и вперед через каньон или пещеру, вы испытали линию задержки звука:шумовая волна распространяется со скоростью звука, отскакивая от стен и меняя направление движения.>

Линия задержки «сохраняет» данные на очень временной основе, если сигнал не усиливается периодически, но сам факт того, что она вообще хранит данные, является явлением, используемым для технологии памяти.

Ранние компьютерные линии задержки использовали длинные трубки, заполненные жидкой ртутью, которая использовалась в качестве физической среды, через которую звуковые волны распространялись по длине трубки. На каждом конце был установлен электрический / звуковой преобразователь:один для создания звуковых волн из электрических импульсов, а другой - для генерации электрических импульсов из звуковых волн.

Поток последовательных двоичных данных был отправлен на передающий преобразователь в виде сигнала напряжения. Последовательность звуковых волн будет проходить слева направо через ртуть в трубке и приниматься датчиком на другом конце. Принимающий преобразователь будет принимать импульсы в том же порядке, в котором они были переданы:

Схема обратной связи, подключенная к принимающему преобразователю, снова будет приводить в действие передающий преобразователь, посылая через трубку ту же последовательность импульсов, что и звуковые волны, сохраняя данные до тех пор, пока цепь обратной связи продолжает функционировать.

Линия задержки функционировала как регистр сдвига «первым пришел - первым обслужен» (FIFO), а внешняя обратная связь превратила это поведение регистра сдвига в счетчик звонков, циклически меняя биты на неопределенное время.

Концепция линии задержки страдала многочисленными ограничениями из-за материалов и технологий, которые были доступны в то время. В компьютере EDVAC начала 1950-х годов использовалось 128 наполненных ртутью трубок, каждая длиной около 5 футов и хранившая максимум 384 бита.

Изменения температуры могут повлиять на скорость звука в ртути, таким образом искажая временную задержку в каждой лампе и вызывая проблемы с синхронизацией. Более поздние разработки заменили жидкую ртутную среду твердыми стержнями из стекла, кварца или специального металла, которые задерживали крутильные (скручивающие) волны, а не продольные (продольные) волны, и работали на гораздо более высоких частотах.

В одной из таких линий задержки использовалась специальная никель-железо-титановая проволока (выбранная из-за ее хорошей температурной стабильности) длиной около 95 футов, свернутая в спираль для уменьшения общего размера упаковки. Общее время задержки от одного конца провода до другого составляло около 9,8 миллисекунд, а максимальная практическая тактовая частота составляла 1 МГц.

Это означало, что в любой момент времени в проводе линии задержки можно было хранить приблизительно 9800 бит данных. Учитывая различные средства задержки сигналов, которые не были бы столь восприимчивы к переменным окружающей среде (например, последовательные световые импульсы в длинном оптическом волокне), этот подход может когда-нибудь найти новое применение.

Другой подход, с которым экспериментировали первые компьютерные инженеры, заключался в использовании электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), типа, обычно используемого для осциллографов, радаров и телевизионных обзорных экранов, для хранения двоичных данных. Обычно сфокусированный и направленный электронный пучок в ЭЛТ используется для того, чтобы частицы люминофора внутри трубки светились, создавая видимое изображение на экране.

В этом приложении, однако, желаемым результатом было создание электрического заряда на стекле экрана за счет воздействия электронного луча, который затем будет обнаружен металлической сеткой, расположенной непосредственно перед ЭЛТ. Как и линия задержки, так называемая трубка Вильямса Память необходимо периодически обновлять внешними схемами для сохранения данных. В отличие от механизмов линии задержки, он был практически невосприимчив к таким факторам окружающей среды, как температура и вибрация.

Компьютер IBM модели 701 имел память Williams Tube емкостью 4 килобайта и дурную привычку «перезаряжать» биты на экране трубки с последовательной перезаписью, так что ложные состояния «1» могли переполнять соседние места на экране.

Следующим крупным достижением в области компьютерной памяти стало то, что инженеры обратились к магнитным материалам как средству хранения двоичных данных. Было обнаружено, что некоторые соединения железа, а именно «феррит», обладают почти квадратными кривыми гистерезиса:

Показано на графике с напряженностью приложенного магнитного поля по горизонтальной оси ( напряженность поля ), а фактическая намагниченность (ориентация электронных спинов в ферритовом материале) по вертикальной оси ( плотность потока ), феррит не будет намагничиваться в одном направлении, пока приложенное поле не превысит критическое пороговое значение. Как только это критическое значение превышено, электроны в феррите «защелкиваются» в магнитном выравнивании, и феррит намагничивается.

Если приложенное поле затем выключить, феррит сохраняет полный магнетизм. Для намагничивания феррита в другом направлении (полярности) приложенное магнитное поле должно превышать критическое значение в противоположном направлении. Как только это критическое значение превышено, электроны в феррите «защелкиваются» в магнитном выравнивании в противоположном направлении. Еще раз, если приложенное поле затем выключить, феррит сохраняет полный магнетизм. Проще говоря, намагниченность куска феррита «бистабильна».

Используя это странное свойство феррита, мы можем использовать эту естественную магнитную «защелку» для хранения двоичного разряда данных. Чтобы установить или сбросить эту «защелку», мы можем использовать электрический ток через провод или катушку для создания необходимого магнитного поля, которое затем будет приложено к ферриту.

Джей Форрестер из Массачусетского технологического института применил этот принцип при создании памяти с магнитным «сердечником», которая стала доминирующей технологией компьютерной памяти в 1970-х годах.

Сетка из электрически изолированных друг от друга проводов, пересекающих центр множества ферритовых колец, каждое из которых называется «сердечником». Когда постоянный ток проходил через любой провод от источника питания к земле, вокруг этого провода, находящегося под напряжением, создавалось круговое магнитное поле.

Значения резистора были установлены таким образом, чтобы величина тока при регулируемом напряжении источника питания создавала чуть более 1/2 критической напряженности магнитного поля, необходимой для намагничивания любого из ферритовых колец. Следовательно, если бы провод столбца № 4 был под напряжением, все сердечники в этом столбце подвергались бы воздействию магнитного поля от этого одного провода, но оно не было бы достаточно сильным, чтобы изменить намагниченность любого из этих сердечников.

Однако, если провод столбца №4 и провод строки №5 были под напряжением, на сердечник на пересечении столбца №4 и строки №5 действовала сумма этих двух магнитных полей:величина, достаточно сильная, чтобы «установить» или «Сбросить» намагниченность этого сердечника. Другими словами, каждое ядро ​​было обращено на пересечении строки и столбца. Различие между «установить» и «сбросить» заключалось в направлении магнитной полярности сердечника, и это битовое значение данных будет определяться полярностью напряжений (по отношению к земле), с которыми провода строки и столбца будут запитаны. .

На следующей фотографии показана основная плата памяти от бренда Data General, компьютер модели Nova, примерно в конце 1960-х или начале 1970-х годов. Его общая емкость хранилища составляла 4 кбайта (это килограмм байты, а не мега байтов!). Для сравнения размеров показана шариковая ручка:

Электронные компоненты, видимые по периметру этой платы, используются для «возбуждения» проводов столбцов и строк током, а также для считывания состояния сердечника. На фотографии крупным планом видны кольцевые жилы, через которые проходят провода матрицы. И снова для сравнения размеров показана шариковая ручка:

На следующей фотографии показана основная плата памяти более поздней конструкции (примерно 1971 г.). Его ядра намного меньше и плотнее упакованы, что дает больше объема памяти, чем у прежней платы (8 кбайт вместо 4 кбайт):

И еще один крупный план ядер:

Запись данных в основную память была достаточно простой задачей, но чтение этих данных было небольшой уловкой. Чтобы облегчить выполнение этой важной функции, через все сердечники в матрице памяти, один конец которой заземлен, а другой конец подключен к цепи усилителя.

На этом «считывающем» проводе будет генерироваться импульс напряжения, если адресуемое ядро ​​ изменится . состояния (от 0 до 1 или от 1 до 0). Другими словами, чтобы прочитать значение ядра, вам нужно было написать либо 1, либо 0 для этого ядра и отслеживайте напряжение, наведенное на проводе чтения, чтобы увидеть, изменилось ли ядро. Очевидно, что если состояние ядра изменилось, вам пришлось бы вернуть его в исходное состояние, иначе данные были бы потеряны.

Этот процесс известен как деструктивное чтение . , потому что данные могут быть изменены (уничтожены) при чтении. Таким образом, обновление необходимо для основной памяти, хотя и не во всех случаях (то есть в случае состояния ядра не меняется, когда в него записывается 1 или 0).

Одним из основных преимуществ основной памяти перед линиями задержки и трубками Вильямса была энергонезависимость. Ферритовые сердечники сохраняли свою намагниченность неограниченное время, не требуя питания или обновления. Кроме того, его было относительно легко построить, он был плотнее и физически более прочным, чем любой из его предшественников.

Основная память использовалась с 1960-х до конца 1970-х годов во многих компьютерных системах, включая компьютеры, используемые для космической программы Apollo, управляющие компьютеры станков с ЧПУ, бизнес-компьютеры («мэйнфреймы») и промышленные системы управления. Несмотря на то, что основная память давно устарела, термин «ядро» все еще иногда используется в отношении оперативной памяти компьютера.

Все время, пока изобретались линии задержки, трубка Вильямса и технологии оперативной памяти, простое статическое ОЗУ совершенствовалось с помощью технологии меньшего активного компонента (электронная лампа или транзистор). Статическое ОЗУ никогда не было полностью вытеснено его конкурентами:даже старый компьютер ENIAC 1950-х годов использовал схему кольцевого счетчика на электронных лампах для регистров данных и вычислений. В конце концов, технология производства микросхем ИС все меньшего и меньшего масштаба дала транзисторам практическое преимущество перед другими технологиями, и основная память стала музейным экспонатом в 1980-х годах.

Последней попыткой улучшить магнитную память, чем сердечник, была пузырьковая память . . Пузырьковая память использовала своеобразное явление в минерале гранат . , которые, будучи размещены в тонкой пленке и подвергались воздействию постоянного магнитного поля, перпендикулярного пленке, поддерживали крошечные области противоположно намагниченных «пузырей», которые можно было толкать вдоль пленки с помощью других внешних магнитных полей.

На гранат можно было положить «следы», чтобы сфокусировать движение пузырьков путем нанесения магнитного материала на поверхность пленки. На гранате образовывалась непрерывная дорожка, которая давала пузырькам длинную петлю, по которой они могли перемещаться, и движущая сила прикладывалась к пузырькам с помощью пары проволочных катушек, намотанных вокруг граната и запитанных двухфазным напряжением. Пузыри можно создавать или разрушать с помощью крошечной катушки проволоки, стратегически размещенной на пути пузырей.

Наличие пузыря соответствует двоичной единице, а отсутствие пузыря - двоичной единице. Данные могут быть прочитаны и записаны в этой цепочке движущихся магнитных пузырьков, когда они проходят через крошечную катушку провода, почти такую ​​же, как «головка» чтения / записи в кассетном магнитофоне, считывая намагниченность ленты по мере ее движения.

Как и основная память, пузырьковая память была энергонезависимой:постоянный магнит создавал необходимое фоновое поле, необходимое для поддержки пузырьков при отключении питания. Однако, в отличие от основной памяти, пузырьковая память имела феноменальную плотность хранения:миллионы битов могли храниться на гранатовой микросхеме размером всего пару квадратных дюймов. Что убило пузырьковую память как жизнеспособную альтернативу статической и динамической ОЗУ, так это ее медленный последовательный доступ к данным.

Поскольку это не что иное, как невероятно длинный регистр последовательного сдвига (кольцевой счетчик), доступ к любой конкретной части данных в последовательной строке может быть довольно медленным по сравнению с другими технологиями памяти.

Электростатическим эквивалентом пузырьковой памяти является Устройство с зарядовой связью (CCD) память, адаптация устройств CCD, используемых в цифровой фотографии. Подобно пузырьковой памяти, биты последовательно сдвигаются по каналам на материале подложки с помощью тактовых импульсов. В отличие от пузырьковой памяти, электростатические заряды распадаются, и их необходимо обновлять.

Таким образом, память CCD является энергозависимой, с высокой плотностью хранения и последовательным доступом. Интересно, правда? Старая память Williams Tube была адаптирована из просмотра на ЭЛТ. технология, и память CCD от видео технологии записи .