Historische, nichtmechanische Speichertechnologien

Die vielleicht genialste Technik war die der Verzögerungslinie . Eine Verzögerungsleitung ist jede Art von Vorrichtung, die die Ausbreitung eines Puls- oder Wellensignals verzögert. Wenn Sie schon einmal ein Geräusch durch eine Schlucht oder Höhle hin und her hallen gehört haben, haben Sie eine Audioverzögerungsleitung erlebt:Die Geräuschwelle breitet sich mit Schallgeschwindigkeit aus, prallt von Wänden ab und kehrt die Bewegungsrichtung um.

Die Verzögerungsleitung „speichert“ Daten auf einer sehr temporären Basis, wenn das Signal nicht periodisch verstärkt wird, aber die Tatsache, dass sie überhaupt Daten speichert, ist ein Phänomen, das für die Speichertechnologie ausgenutzt werden kann.

Frühe Computerverzögerungsleitungen verwendeten lange Röhren, die mit flüssigem Quecksilber gefüllt waren, das als physikalisches Medium verwendet wurde, durch das sich Schallwellen entlang der Länge der Röhre ausbreiteten. An jedem Ende wurde ein elektrischer Schallwandler montiert, einer zur Erzeugung von Schallwellen aus elektrischen Impulsen und der andere zur Erzeugung elektrischer Impulse aus Schallwellen.

Ein Strom serieller Binärdaten wurde als Spannungssignal an den sendenden Wandler gesendet. Die Folge von Schallwellen würde von links nach rechts durch das Quecksilber in der Röhre wandern und vom Wandler am anderen Ende empfangen werden. Der empfangende Wandler würde die Impulse in der gleichen Reihenfolge empfangen, in der sie gesendet wurden:

Eine mit dem empfangenden Wandler verbundene Rückkopplungsschaltung würde den sendenden Wandler erneut ansteuern, die gleiche Impulsfolge durch die Röhre wie Schallwellen senden und die Daten so lange speichern, wie die Rückkopplungsschaltung weiter funktionierte.

Die Verzögerungsleitung funktionierte wie ein First-In-First-Out-(FIFO)-Schieberegister, und externes Feedback verwandelte dieses Schieberegisterverhalten in einen Ringzähler, der die Bits auf unbestimmte Zeit umläuft.

Das Konzept der Verzögerungsleitung litt unter zahlreichen Einschränkungen durch die damals verfügbaren Materialien und Technologien. Der EDVAC-Computer der frühen 1950er Jahre verwendete 128 quecksilbergefüllte Röhren, von denen jede etwa 1,5 m lang war und maximal 384 Bit speicherte.

Temperaturänderungen würden die Schallgeschwindigkeit im Quecksilber beeinflussen, wodurch die Zeitverzögerung in jedem Röhrchen verzerrt und Timing-Probleme verursacht werden. Spätere Designs ersetzten das flüssige Quecksilbermedium durch feste Stäbe aus Glas, Quarz oder speziellem Metall, die Torsionswellen (Drehwellen) anstatt Längswellen (Längswellen) verzögerten und mit viel höheren Frequenzen betrieben wurden.

Eine solche Verzögerungsleitung verwendete einen speziellen Nickel-Eisen-Titan-Draht (ausgewählt wegen seiner guten Temperaturstabilität) von etwa 95 Fuß Länge, der gewickelt war, um die Gesamtgehäusegröße zu reduzieren. Die Gesamtverzögerungszeit von einem Ende des Kabels zum anderen betrug etwa 9,8 Millisekunden und die höchste praktische Taktfrequenz betrug 1 MHz.

Dies bedeutete, dass zu jeder Zeit ungefähr 9800 Datenbits in der Verzögerungsleitungsleitung gespeichert werden konnten. Angesichts verschiedener Mittel zur Verzögerung von Signalen, die nicht so anfällig für Umgebungsvariablen sind (wie z. B. serielle Lichtimpulse in einer langen Glasfaser), könnte dieser Ansatz eines Tages wieder Anwendung finden.

Ein anderer Ansatz, mit dem frühe Computeringenieure experimentierten, war die Verwendung einer Kathodenstrahlröhre (CRT), die üblicherweise für Oszilloskop-, Radar- und Fernsehbildschirme verwendet wird, um binäre Daten zu speichern. Normalerweise würde der fokussierte und gerichtete Elektronenstrahl in einer CRT verwendet, um Phosphorchemikalien im Inneren der Röhre zum Leuchten zu bringen und so ein sichtbares Bild auf dem Bildschirm zu erzeugen.

Bei dieser Anwendung war das gewünschte Ergebnis jedoch die Erzeugung einer elektrischen Ladung auf dem Glas des Bildschirms durch den Aufprall des Elektronenstrahls, die dann von einem direkt vor der CRT platzierten Metallgitter detektiert würde. Wie die Delay-Line, die sogenannte Williams Tube Der Speicher musste regelmäßig mit externen Schaltkreisen aufgefrischt werden, um seine Daten zu behalten. Im Gegensatz zu den Verzögerungsleitungsmechanismen war es praktisch immun gegen die Umgebungsfaktoren Temperatur und Vibration.

Der Computer des IBM-Modells 701 war mit einem Williams-Röhrenspeicher mit 4 Kilobyte Kapazität ausgestattet und hatte die schlechte Angewohnheit, Bits auf dem Röhrenbildschirm durch aufeinanderfolgende Neuschreibvorgänge zu „überladen“, sodass falsche „1“-Zustände zu benachbarten Stellen auf dem Bildschirm überlaufen könnten.

Der nächste große Fortschritt im Bereich Computerspeicher kam, als Ingenieure sich magnetischen Materialien zuwandten, um binäre Daten zu speichern. Es wurde entdeckt, dass bestimmte Eisenverbindungen, nämlich „Ferrit“, nahezu quadratische Hysteresekurven aufweisen:

Dargestellt in einem Diagramm mit der Stärke des angelegten Magnetfelds auf der horizontalen Achse (Feldstärke ) und die tatsächliche Magnetisierung (Ausrichtung der Elektronenspins im Ferritmaterial) auf der vertikalen Achse (Flussdichte ) wird Ferrit nicht in eine Richtung magnetisiert, bis das angelegte Feld einen kritischen Schwellenwert überschreitet. Sobald dieser kritische Wert überschritten wird, „schnappen“ die Elektronen im Ferrit in die magnetische Ausrichtung und der Ferrit wird magnetisiert.

Wird das angelegte Feld dann abgeschaltet, behält der Ferrit den vollen Magnetismus bei. Um den Ferrit in die andere Richtung (Polarität) zu magnetisieren, muss das angelegte Magnetfeld den kritischen Wert in die entgegengesetzte Richtung überschreiten. Sobald dieser kritische Wert überschritten wird, „schnappen“ die Elektronen im Ferrit in die magnetische Ausrichtung in die entgegengesetzte Richtung. Wenn das angelegte Feld dann wieder abgeschaltet wird, behält der Ferrit den vollen Magnetismus bei. Einfach ausgedrückt ist die Magnetisierung eines Ferritstücks „bistabil“.

Unter Ausnutzung dieser seltsamen Eigenschaft von Ferrit können wir diesen natürlichen magnetischen „Latch“ verwenden, um ein binäres Datenbit zu speichern. Um diese "Verriegelung" zu setzen oder zurückzusetzen, können wir elektrischen Strom durch einen Draht oder eine Spule verwenden, um das erforderliche Magnetfeld zu erzeugen, das dann an den Ferrit angelegt wird.

Jay Forrester vom MIT wandte dieses Prinzip bei der Erfindung des magnetischen „Kern“-Speichers an, der in den 1970er Jahren zur dominierenden Computerspeichertechnologie wurde.

Ein Gitter aus Drähten, die elektrisch voneinander isoliert sind, kreuzte sich durch das Zentrum vieler Ferritringe, von denen jeder als „Kern“ bezeichnet wird. Wenn Gleichstrom durch einen beliebigen Draht von der Stromversorgung zur Erde fließt, wurde um diesen unter Spannung stehenden Draht ein kreisförmiges Magnetfeld erzeugt.

Die Widerstandswerte wurden so eingestellt, dass die Strommenge bei der geregelten Stromversorgungsspannung etwas mehr als die Hälfte der kritischen Magnetfeldstärke erzeugt, die benötigt wird, um einen der Ferritringe zu magnetisieren. Wenn der Draht der Säule Nr. 4 mit Strom versorgt würde, würden alle Kerne dieser Säule dem Magnetfeld dieses einen Drahts ausgesetzt, aber es wäre nicht stark genug, um die Magnetisierung eines dieser Kerne zu ändern.

Wenn jedoch der Draht der Spalte Nr. 4 und der Draht der Reihe Nr. 5 beide erregt wären, würde der Kern an diesem Schnittpunkt von Spalte Nr. 4 und Reihe Nr. 5 einer Summe dieser beiden Magnetfelder ausgesetzt sein:einer Stärke, die stark genug ist, um sich zu „setzen“ oder die Magnetisierung dieses Kerns "zurücksetzen". Mit anderen Worten, jeder Kern wurde durch den Schnittpunkt von Zeile und Spalte adressiert. Der Unterschied zwischen „set“ und „reset“ war die Richtung der magnetischen Polarität des Kerns, und dieser Bitwert der Daten würde durch die Polarität der Spannungen (in Bezug auf Masse) bestimmt, mit denen die Zeilen- und Spaltendrähte erregt würden .

Das folgende Foto zeigt eine Kernspeicherplatine eines Computers der Marke Data General, Modell "Nova", ca. Ende der 1960er oder Anfang der 1970er Jahre. Es hatte eine Gesamtspeicherkapazität von 4 kByte (das sind Kilo Bytes, nicht Mega Byte!). Zum Größenvergleich ist ein Kugelschreiber abgebildet:

Die elektronischen Komponenten, die um die Peripherie dieser Platine herum zu sehen sind, werden verwendet, um die Spalten- und Zeilendrähte mit Strom zu „betreiben“ und auch den Status eines Kerns auszulesen. Eine Nahaufnahme zeigt die ringförmigen Kerne, durch die sich die Matrizendrähte fädeln. Auch hier ist zum Größenvergleich ein Kugelschreiber abgebildet:

Eine Kernspeicherplatine neueren Designs (ca. 1971) ist auf dem nächsten Foto zu sehen. Seine Kerne sind viel kleiner und dichter gepackt und bieten mehr Speicherkapazität als das vorherige Board (8 kByte statt 4 kByte):

Und noch eine Nahaufnahme der Kerne:

Das Schreiben von Daten in den Kernspeicher war einfach, aber das Lesen dieser Daten war ein kleiner Trick. Um diese wesentliche Funktion zu erleichtern, wurde ein „Lese“-Draht durch alle gefädelt die Kerne in einer Speichermatrix, von denen ein Ende geerdet und das andere Ende mit einer Verstärkerschaltung verbunden ist.

An diesem „gelesenen“ Draht würde ein Spannungsimpuls erzeugt, wenn sich der adressierte Kern ändert Zustände (von 0 bis 1 oder 1 bis 0). Mit anderen Worten, um den Wert eines Kerns zu lesen, musste man schreiben entweder eine 1 oder eine 0 für diesen Kern und überwachen Sie die am Lesedraht induzierte Spannung, um festzustellen, ob sich der Kern geändert hat. Wenn der Zustand des Kerns geändert wurde, müssten Sie ihn natürlich auf seinen ursprünglichen Zustand zurücksetzen, sonst wären die Daten verloren gegangen.

Dieser Vorgang wird als destruktives Lesen bezeichnet , da Daten beim Lesen verändert (vernichtet) werden können. Daher ist beim Core-Speicher eine Auffrischung erforderlich, wenn auch nicht in jedem Fall (d. h. im Fall des Core-Zustands nicht ändert sich, wenn entweder eine 1 oder eine 0 darauf geschrieben wurde).

Ein großer Vorteil des Kernspeichers gegenüber Verzögerungsleitungen und Williams-Röhren war die Nichtflüchtigkeit. Die Ferritkerne behielten ihre Magnetisierung auf unbestimmte Zeit bei, ohne dass Strom oder Auffrischung erforderlich war. Es war auch relativ einfach zu bauen, dichter und physisch robuster als alle seine Vorgänger.

Kernspeicher wurde von den 1960er bis Ende der 1970er Jahre in vielen Computersystemen verwendet, einschließlich der Computer, die für das Apollo-Weltraumprogramm verwendet wurden, CNC-Werkzeugmaschinensteuerungscomputer, Geschäftscomputer ("Mainframe") und industrielle Steuerungssysteme. Obwohl der Kernspeicher längst veraltet ist, wird der Begriff „Kern“ manchmal immer noch in Bezug auf den RAM-Speicher eines Computers verwendet.

Während Verzögerungsleitungen, Williams-Röhre und Kernspeichertechnologien erfunden wurden, wurde der einfache statische RAM durch kleinere aktive Komponenten (Vakuumröhre oder Transistor) verbessert. Statisches RAM wurde von seinen Konkurrenten nie völlig in den Schatten gestellt:Sogar der alte ENIAC-Computer der 1950er Jahre verwendete eine Vakuumröhren-Ringzählerschaltung für Datenregister und Berechnungen. Schließlich verschaffte die immer kleiner werdende IC-Chip-Fertigungstechnologie den Transistoren jedoch den praktischen Vorteil gegenüber anderen Technologien, und der Kernspeicher wurde in den 1980er Jahren zu einem Museumsstück.

Ein letzter Versuch, einen magnetischen Speicher besser als den Kern zu entwickeln, war der Blasenspeicher . Das Blasengedächtnis nutzte ein seltsames Phänomen in einem Mineral namens Granat , das, wenn es in einem dünnen Film angeordnet und einem konstanten Magnetfeld senkrecht zum Film ausgesetzt wurde, winzige Bereiche von entgegengesetzt magnetisierten "Blasen" unterstützte, die durch Anstoßen mit anderen externen Magnetfeldern entlang des Films gestoßen werden konnten.

Auf dem Granat könnten „Spuren“ gelegt werden, um die Bewegung der Blasen zu fokussieren, indem magnetisches Material auf der Oberfläche des Films abgelagert wird. Auf dem Granat wurde eine durchgehende Spur gebildet, die den Blasen eine lange Schleife gab, in der sie sich fortbewegen konnten, und eine Antriebskraft wurde auf die Blasen mit einem Paar Drahtspulen aufgebracht, die um den Granat gewickelt und mit einer 2-Phasen-Spannung gespeist wurden. Blasen können mit einer winzigen Drahtspule erzeugt oder zerstört werden, die strategisch im Weg der Blasen platziert wird.

Das Vorhandensein einer Blase repräsentiert eine binäre „1“ und das Fehlen einer Blase repräsentiert eine binäre „0“. In dieser Kette sich bewegender magnetischer Blasen konnten Daten gelesen und geschrieben werden, wenn sie an der winzigen Drahtspule vorbeigingen, ähnlich wie der Lese-/Schreib-„Kopf“ in einem Kassettenrecorder, der die Magnetisierung des Bandes während seiner Bewegung abliest.

Wie der Kernspeicher war auch der Blasenspeicher nichtflüchtig:Ein Permanentmagnet lieferte das notwendige Hintergrundfeld, das benötigt wurde, um die Blasen zu unterstützen, wenn der Strom abgeschaltet wurde. Im Gegensatz zu Kernspeichern hatte Blasenspeicher jedoch eine phänomenale Speicherdichte:Millionen von Bits konnten auf einem Granatchip von nur wenigen Quadratzoll Größe gespeichert werden. Was Blasenspeicher als praktikable Alternative zu statischem und dynamischem RAM zerstörte, war sein langsamer, sequenzieller Datenzugriff.

Da es sich um nichts anderes als ein unglaublich langes serielles Schieberegister (Ringzähler) handelt, kann der Zugriff auf einen bestimmten Teil der Daten in der seriellen Zeichenfolge im Vergleich zu anderen Speichertechnologien ziemlich langsam sein.

Ein elektrostatisches Äquivalent des Blasenspeichers ist das Charge-Coupled Device (CCD)-Speicher, eine Adaption der in der Digitalfotografie verwendeten CCD-Geräte. Wie bei Blasenspeichern werden die Bits durch Taktimpulse seriell entlang Kanälen auf dem Substratmaterial verschoben. Im Gegensatz zum Blasenspeicher zerfallen die elektrostatischen Ladungen und müssen aufgefrischt werden.

CCD-Speicher ist daher flüchtig, mit hoher Speicherdichte und sequentiellem Zugriff. Interessant, nicht wahr? Der alte Williams-Tube-Speicher wurde von der CRT-Betrachtung übernommen Technologie und CCD-Speicher von Video- Aufnahmetechnologie .