Historische, niet-mechanische geheugentechnologieën

Misschien wel de meest ingenieuze techniek was die van de vertragingslijn . Een vertragingslijn is elk soort apparaat dat de voortplanting van een puls- of golfsignaal vertraagt. Als je ooit een geluid hebt gehoord dat heen en weer galmt door een kloof of grot, heb je een audiovertragingslijn ervaren:de geluidsgolf reist met de snelheid van het geluid, kaatst tegen muren en keert van rijrichting om.

De vertragingslijn "slaat" gegevens op een zeer tijdelijke basis op als het signaal niet periodiek wordt versterkt, maar het feit dat het überhaupt gegevens opslaat, is een fenomeen dat misbruikt kan worden voor geheugentechnologie.

Vroege computervertragingslijnen gebruikten lange buizen gevuld met vloeibaar kwik, dat werd gebruikt als het fysieke medium waardoor geluidsgolven over de lengte van de buis reisden. Aan elk uiteinde was een elektrische/geluidstransducer gemonteerd, één om geluidsgolven te creëren uit elektrische impulsen en de andere om elektrische impulsen op te wekken uit geluidsgolven.

Een stroom seriële binaire gegevens werd als een spanningssignaal naar de zendtransducer gestuurd. De reeks geluidsgolven zou van links naar rechts door het kwik in de buis gaan en aan het andere uiteinde worden opgevangen door de transducer. De ontvangende transducer zou de pulsen ontvangen in dezelfde volgorde als waarin ze werden verzonden:

Een feedbackcircuit dat op de ontvangende transducer is aangesloten, zou de zendtransducer opnieuw aansturen en dezelfde reeks pulsen door de buis sturen als geluidsgolven, waarbij de gegevens worden opgeslagen zolang het feedbackcircuit blijft functioneren.

De vertragingslijn functioneerde als een first-in-first-out (FIFO) schuifregister en externe feedback veranderde dat schuifregistergedrag in een ringteller, waarbij de bits voor onbepaalde tijd ronddraaiden.

Het concept van de vertragingslijn leed aan tal van beperkingen door de materialen en technologie die toen beschikbaar waren. De EDVAC-computer van het begin van de jaren vijftig maakte gebruik van 128 met kwik gevulde buizen, elk ongeveer 1,5 meter lang en een opslag van maximaal 384 bits.

Temperatuurveranderingen zouden de geluidssnelheid in het kwik beïnvloeden, waardoor de tijdvertraging in elke buis scheefgetrokken wordt en timingproblemen zouden ontstaan. Latere ontwerpen vervingen het vloeibare kwikmedium door massieve staven van glas, kwarts of speciaal metaal die torsie (draaiende) golven vertraagden in plaats van longitudinale (lengte) golven, en werkten op veel hogere frequenties.

Een dergelijke vertragingslijn gebruikte een speciale nikkel-ijzer-titaniumdraad (gekozen vanwege zijn goede temperatuurstabiliteit) van ongeveer 95 voet lang, opgerold om de totale verpakkingsgrootte te verkleinen. De totale vertragingstijd van het ene uiteinde van de draad naar het andere was ongeveer 9,8 milliseconden en de hoogste praktische klokfrequentie was 1 MHz.

Dit betekende dat er op elk moment ongeveer 9800 bits aan gegevens in de vertragingslijn konden worden opgeslagen. Gezien verschillende manieren om signalen te vertragen die niet zo gevoelig zouden zijn voor omgevingsvariabelen (zoals seriële lichtpulsen in een lange optische vezel), zou deze benadering ooit opnieuw kunnen worden toegepast.

Een andere benadering waarmee vroege computeringenieurs experimenteerden, was het gebruik van een kathodestraalbuis (CRT), het type dat gewoonlijk wordt gebruikt voor oscilloscoop-, radar- en televisieschermen, om binaire gegevens op te slaan. Normaal gesproken zou de gefocusseerde en gerichte elektronenstraal in een CRT worden gebruikt om chemische fosfordeeltjes aan de binnenkant van de buis te laten gloeien, waardoor een zichtbaar beeld op het scherm wordt geproduceerd.

In deze toepassing was het gewenste resultaat echter het creëren van een elektrische lading op het glas van het scherm door de impact van de elektronenstraal, die vervolgens zou worden gedetecteerd door een metalen rooster dat direct voor de CRT was geplaatst. Net als de vertragingslijn, de zogenaamde Williams Tube geheugen moest periodiek worden ververst met externe schakelingen om de gegevens te behouden. In tegenstelling tot de vertragingslijnmechanismen was het vrijwel immuun voor de omgevingsfactoren temperatuur en trillingen.

De IBM model 701-computer had een Williams Tube-geheugen met een capaciteit van 4 kilobyte en een slechte gewoonte om bits op het buisscherm te "overladen" met opeenvolgende herschrijvingen, zodat valse "1"-statussen zouden kunnen overlopen naar aangrenzende plekken op het scherm.

De volgende grote vooruitgang in het computergeheugen kwam toen ingenieurs zich tot magnetische materialen wendden als een middel om binaire gegevens op te slaan. Er werd ontdekt dat bepaalde ijzerverbindingen, namelijk 'ferriet', hysteresiscurves hadden die bijna vierkant waren:

Weergegeven in een grafiek met de sterkte van het aangelegde magnetische veld op de horizontale as (veldintensiteit ), en de feitelijke magnetisatie (oriëntatie van elektronenspins in het ferrietmateriaal) op de verticale as (fluxdichtheid ), wordt ferriet pas in één richting gemagnetiseerd als het aangelegde veld een kritische drempelwaarde overschrijdt. Zodra die kritische waarde wordt overschreden, "klikken" de elektronen in het ferriet zich in magnetische uitlijning en wordt het ferriet gemagnetiseerd.

Als het aangelegde veld vervolgens wordt uitgeschakeld, behoudt het ferriet zijn volledige magnetisme. Om het ferriet in de andere richting (polariteit) te magnetiseren, moet het aangelegde magnetische veld de kritische waarde in de tegenovergestelde richting overschrijden. Zodra die kritische waarde wordt overschreden, "klikken" de elektronen in het ferriet zich in magnetische uitlijning in de tegenovergestelde richting. Nogmaals, als het aangelegde veld vervolgens wordt uitgeschakeld, behoudt het ferriet zijn volledige magnetisme. Simpel gezegd, de magnetisatie van een stuk ferriet is "bistabiel".

Door gebruik te maken van deze vreemde eigenschap van ferriet, kunnen we deze natuurlijke magnetische "vergrendeling" gebruiken om een ​​binair stukje gegevens op te slaan. Om deze "vergrendeling" in te stellen of te resetten, kunnen we elektrische stroom door een draad of spoel gebruiken om het benodigde magnetische veld te genereren, dat vervolgens op het ferriet wordt toegepast.

Jay Forrester van MIT paste dit principe toe bij het uitvinden van het magnetische "kern" -geheugen, dat in de jaren '70 de dominante computergeheugentechnologie werd.

Een raster van draden, elektrisch geïsoleerd van elkaar, kruiste het midden van vele ferrietringen, die elk een "kern" worden genoemd. Terwijl gelijkstroom door een draad van de voeding naar de aarde ging, werd er een cirkelvormig magnetisch veld rond die bekrachtigde draad gegenereerd.

De weerstandswaarden waren zo ingesteld dat de hoeveelheid stroom bij de gereguleerde voedingsspanning iets meer dan de helft van de kritische magnetische veldsterkte zou produceren die nodig is om een ​​van de ferrietringen te magnetiseren. Als draad van kolom #4 zou worden geactiveerd, zouden alle kernen op die kolom daarom worden onderworpen aan het magnetische veld van die ene draad, maar het zou niet sterk genoeg zijn om de magnetisatie van een van die kernen te veranderen.

Echter, als kolom #4 draad en rij #5 draad beide bekrachtigd zouden zijn, zou de kern op dat snijpunt van kolom #4 en rij #5 worden onderworpen aan een som van die twee magnetische velden:een sterkte die sterk genoeg is om "in te stellen" of "reset" de magnetisatie van die kern. Met andere woorden, elke kern werd geadresseerd door de kruising van rij en kolom. Het onderscheid tussen "set" en "reset" was de richting van de magnetische polariteit van de kern, en die bitwaarde van gegevens zou worden bepaald door de polariteit van de spanningen (ten opzichte van aarde) waarmee de rij- en kolomdraden zouden worden geactiveerd met .

De volgende foto toont een kerngeheugenkaart van een Data General-merk, "Nova" -modelcomputer, circa eind jaren 60 of begin jaren 70. Het had een totale opslagcapaciteit van 4 kbytes (dat is kilo bytes, niet mega byte!). Ter vergelijking van de maten wordt een balpen getoond:

De elektronische componenten die rond de omtrek van dit bord worden gezien, worden gebruikt om de kolom- en rijdraden met stroom te "aandrijven", en ook om de status van een kern te lezen. Een close-upfoto onthult de ringvormige kernen waar de matrixdraden doorheen lopen. Nogmaals, er wordt een balpen getoond voor maatvergelijking:

Op de volgende foto wordt een kerngeheugenkaart van een later ontwerp (circa 1971) getoond. De kernen zijn veel kleiner en dichter op elkaar gepakt, waardoor er meer geheugenopslagcapaciteit is dan het vorige bord (8 kbyte in plaats van 4 kbyte):

En nog een close-up van de kernen:

Het schrijven van gegevens naar het kerngeheugen was eenvoudig genoeg, maar het lezen van die gegevens was een beetje een truc. Om deze essentiële functie te vergemakkelijken, werd een "lees" draad door alle gehaald de kernen in een geheugenmatrix, waarvan het ene uiteinde is geaard en het andere uiteinde is aangesloten op een versterkercircuit.

Een spanningspuls zou op deze "lees" draad worden gegenereerd als de geadresseerde kern veranderd toestanden (van 0 tot 1 of 1 tot 0). Met andere woorden, om de waarde van een kern te lezen, moest je schrijven ofwel een 1 of een 0 voor die kern en controleer de spanning die op de leesdraad wordt geïnduceerd om te zien of de kern is veranderd. Als de status van de kern zou zijn gewijzigd, moet u deze uiteraard terugzetten in de oorspronkelijke staat, anders zouden de gegevens verloren zijn gegaan.

Dit proces staat bekend als een destructief lezen , omdat gegevens tijdens het lezen kunnen worden gewijzigd (vernietigd). Verversen is dus noodzakelijk met kerngeheugen, hoewel niet in alle gevallen (dat wil zeggen, in het geval van de kernstatus niet veranderen wanneer er een 1 of een 0 op werd geschreven).

Een groot voordeel van kerngeheugen ten opzichte van vertragingslijnen en Williams Tubes was niet-vluchtigheid. De ferrietkernen behielden hun magnetisatie voor onbepaalde tijd, zonder dat er stroom of verversing nodig was. Het was ook relatief eenvoudig te bouwen, compacter en fysiek robuuster dan al zijn voorgangers.

Kerngeheugen werd van de jaren zestig tot het einde van de jaren zeventig in veel computersystemen gebruikt, waaronder de computers die werden gebruikt voor het Apollo-ruimteprogramma, besturingscomputers voor CNC-bewerkingsmachines, zakelijke ("mainframe") computers en industriële besturingssystemen. Ondanks het feit dat kerngeheugen al lang achterhaald is, wordt de term "kern" soms nog steeds gebruikt met verwijzing naar het RAM-geheugen van een computer.

Terwijl vertragingslijnen, Williams Tube en kerngeheugentechnologieën werden uitgevonden, werd de eenvoudige statische RAM verbeterd met technologie met kleinere actieve componenten (vacuümbuis of transistor). Statische RAM werd nooit volledig overschaduwd door zijn concurrenten:zelfs de oude ENIAC-computer uit de jaren 50 gebruikte ring-tellercircuits voor vacuümbuizen voor gegevensregisters en berekeningen. Maar uiteindelijk gaf de kleinere en kleinere productietechnologie voor IC-chips transistors de praktische voorsprong op andere technologieën, en kerngeheugen werd in de jaren tachtig een museumstuk.

Een laatste poging om een ​​magnetisch geheugen beter te maken dan de kern was het bubbelgeheugen . Bellengeheugen profiteerde van een eigenaardig fenomeen in een mineraal genaamd granaat , die, wanneer gerangschikt in een dunne film en blootgesteld aan een constant magnetisch veld loodrecht op de film, kleine gebieden van tegengesteld gemagnetiseerde "bellen" ondersteunde die langs de film konden worden geduwd door met andere externe magnetische velden te prikken.

Er kunnen "sporen" op de granaat worden gelegd om de beweging van de bellen te focussen door magnetisch materiaal op het oppervlak van de film af te zetten. Er werd een ononderbroken spoor gevormd op de granaat waardoor de bellen een lange lus kregen om in te reizen, en aandrijfkracht werd op de bellen uitgeoefend met een paar draadspoelen die om de granaat waren gewikkeld en bekrachtigd met een 2-fasenspanning. Bellen kunnen worden gemaakt of vernietigd met een kleine draadspoel die strategisch in het pad van de bellen is geplaatst.

De aanwezigheid van een bubbel vertegenwoordigde een binaire "1" en de afwezigheid van een bubbel vertegenwoordigde een binaire "0". Gegevens kunnen worden gelezen en geschreven in deze keten van bewegende magnetische bellen terwijl ze door de kleine draadspoel gaan, ongeveer hetzelfde als de lees-/schrijfkop in een cassettespeler, die de magnetisatie van de band leest terwijl deze beweegt.

Net als het kerngeheugen was het bellengeheugen niet-vluchtig:een permanente magneet zorgde voor het noodzakelijke achtergrondveld dat nodig was om de bellen te ondersteunen wanneer de stroom werd uitgeschakeld. In tegenstelling tot kerngeheugen had bubble-geheugen echter een fenomenale opslagdichtheid:miljoenen bits konden worden opgeslagen op een granaatchip van slechts een paar vierkante centimeter groot. Wat het bubble-geheugen als een levensvatbaar alternatief voor statische en dynamische RAM deed verdwijnen, was de trage, sequentiële gegevenstoegang.

Omdat het niets meer is dan een ongelooflijk lang serieel schuifregister (ringteller), kan de toegang tot een bepaald deel van de gegevens in de seriële reeks behoorlijk traag zijn in vergelijking met andere geheugentechnologieën.

Een elektrostatisch equivalent van het bellengeheugen is het Charge-Coupled Device (CCD) geheugen, een aanpassing van de CCD-apparaten die worden gebruikt in digitale fotografie. Net als bellengeheugen worden de bits serieel langs kanalen op het substraatmateriaal verschoven door klokpulsen. In tegenstelling tot het bellengeheugen nemen de elektrostatische ladingen af ​​en moeten ze worden ververst.

CCD-geheugen is daarom vluchtig, met een hoge opslagdichtheid en sequentiële toegang. Interessant, niet? Het oude Williams Tube-geheugen is aangepast van CRT bekijken technologie en CCD-geheugen van video opnametechnologie .