Ранние немеханические технологии памяти: от линий задержки к ферритовым кольцам

В формирующие годы вычислительной техники конструкторы вышли за рамки механических реле и электронных ламп, пионеря немеханические решения хранения, сформировавшие современную архитектуру памяти.

Одним из самых изобретательных концептов была линия задержки (delay line). Линия задержки задерживает распространение импульса или волны — как эхо, отражающееся в каньоне. Преобразуя электрические импульсы в акустические волны в среде, такой как ртуть, а затем обратно, линия временно «хранит» данные, пока волны циркулируют.

Ранние реализации использовали длинные трубки, наполненные жидкой ртутью. Электрический преобразователь на каждом конце конвертировал сигналы в звуковые волны и обратно. Последовательный поток двоичных данных входил в передающий преобразователь как волна напряжения, проходил через ртуть и выходил из приемного преобразователя в том же порядке.

Когда схема обратной связи многократно приводила передающий преобразователь в действие, последовательность импульсов становилась циркулирующим FIFO сдвиговым регистром — фактически кольцевым счетчиком, способным удерживать данные, пока цикл питается.

Несмотря на изобретательность, линия задержки страдала от материалных и экологических ограничений. ЭДВАК в начале 1950-х использовал 128 ртутных трубок, каждая примерно 5 футов длиной, вмещающих максимум 384 бита. Температурные сдвиги меняли скорость звука в ртути, искажая тайминги и подрывая надежность.

Последующие дизайны заменили жидкую ртуть твердыми стержнями — стеклом, кварцем или специально легированными металлами — для задержки крутильных волн на более высоких частотах. Знаменитый пример использовал 95-футовый никель-железо-титановый провод, свернутый для компактности. Общая задержка составляла 9,8 мс, позволяя 1 МГц тактовую частоту и примерно 9800 бит памяти на провод.

Хотя линии задержки в конечном счете уступили место более надежным технологиям, принцип использования физических сред для хранения данных остается фундаментальным в современных исследованиях памяти.

Другой вехой стала трубка Уильямса (Williams Tube), лучевая трубка (CRT), адаптированная из осциллографов и телевизоров. Вместо возбуждения люминофора для создания изображения, электронный луч откладывал заряд на стеклянной поверхности. Металлическая решетка перед трубкой детектировала этот заряд, а внешняя схема рефрешала данные для предотвращения потерь.

IBM Model 701 использовал память на трубках Уильямса объемом 4 КБ. Однако многократные перезаписи могли перезарядить экран, вызывая чужие состояния «1», просачивающиеся в соседние пиксели.

Магнитная память на ферритовых кольцах (core memory) стала решающим шагом вперед. Ферромагнитные ферритовые соединения демонстрируют почти квадратную гистерезисную кривую: критический порог магнитного поля необходим для переворота направления намагниченности, и после переворота материал сохраняет свое состояние даже при снятии поля. Эта бистабильность делает феррит идеальным для двоичной защелки.

Джей Форрестер из MIT использовал это свойство для построения первой практической памяти на ферритовых кольцах. Сетка изолированных проводов пересекалась через тысячи ферритовых колец — каждое кольцо являлось ядром. Питание рядовых и колоночных проводов, пересекающихся в ядре, генерировало магнитное поле, достаточное для установки или сброса полярности ядра. Направление приложенного тока определяло, хранит ли ядро «0» или «1».

Компьютер Data General Nova, около 1969–70 гг., содержал плату ферритовой памяти 4 КБ. Ядра были едва крупнее шариковой ручки, а схема платы управляла токами рядов/колонок и считывала состояния ядер.

Позже дизайн 1971 года упаковал ядра плотнее, удвоив емкость до 8 КБ.

Чтение ядра было деструктивным процессом: импульс напряжения, записанный в ядро, индуцировал ток на выделенном проводе чтения только если состояние ядра менялось. Следовательно, ядро нужно было записать снова, чтобы сохранить исходное значение, что требовало периодических циклов рефреша.

Сильные стороны ферритовой памяти — неволатильность, надежность и относительно высокая плотность — все достигнуты без механического износа линий задержки или температурной чувствительности КРТ. Эти атрибуты сделали ферритовую память основой многих систем 1960–70-х, включая навигационные компьютеры Apollo, ЧПУ-контроллеры и бизнес-мейнфреймы.

В то же время статическое ОЗУ (SRAM) развивалось параллельно, движимое меньшими транзисторами и в конечном счете кремниевыми ИС. Неволатильное преимущество SRAM держало его на плаву, но масштаб и стоимость ферритовой памяти в конечном счете вытеснили её к 1980-м годам.

Пузырьковая память (bubble memory) предложила еще одну магнитную альтернативу. В тонкой гранатовой пленке под постоянным магнитным полем микронные намагниченные «пузыри» могли скользить по вытравленным дорожкам под действием внешних катушек. Пузырь представлял «1», его отсутствие — «0». Чтение и запись происходили при прохождении пузырей мимо крошечной катушки детектирования, аналогично магнитофону.

Несмотря на впечатляющую плотность — миллионы бит на чипе всего в несколько квадратных дюймов — пузырьковая память страдала от вене последовательного доступа, ограничивая производительность относительно динамического и статического ОЗУ.

Электростатический кузен, зарядо-связанное устройство (CCD), перемещал электрические заряды по кремниевой подложке в подобной последовательной манере. Как и пузырьковая память, CCD требовали частого рефреша из-за распада заряда, делая их волатильными.

Подводя итог, прогресс от линий задержки к ферритовой памяти иллюстрирует неистовое стремление повысить плотность хранения, надежность и скорость — принципы, продолжающие информировать современные технологии памяти.