Tecnologías de memoria históricas no mecánicas

Quizás la técnica más ingeniosa fue la de la línea de retardo . Una línea de retardo es cualquier tipo de dispositivo que retarda la propagación de una señal de onda o pulso. Si alguna vez ha escuchado un eco de sonido de un lado a otro a través de un cañón o cueva, ha experimentado una línea de retardo de audio:la onda de ruido viaja a la velocidad del sonido, rebota en las paredes e invierte la dirección de viaje.

La línea de retardo "almacena" datos de forma muy temporal si la señal no se refuerza periódicamente, pero el mismo hecho de que almacene datos es un fenómeno explotable para la tecnología de memoria.

Las primeras líneas de retardo por computadora usaban tubos largos llenos de mercurio líquido, que se usaba como medio físico a través del cual las ondas de sonido viajaban a lo largo del tubo. Se montó un transductor eléctrico / de sonido en cada extremo, uno para crear ondas sonoras a partir de impulsos eléctricos y el otro para generar impulsos eléctricos a partir de ondas sonoras.

Se envió un flujo de datos binarios en serie al transductor transmisor como una señal de voltaje. La secuencia de ondas sonoras viajaría de izquierda a derecha a través del mercurio en el tubo y sería recibida por el transductor en el otro extremo. El transductor receptor recibiría los pulsos en el mismo orden en que se transmitieron:

Un circuito de retroalimentación conectado al transductor receptor impulsaría el transductor transmisor nuevamente, enviando la misma secuencia de pulsos a través del tubo como ondas sonoras, almacenando los datos mientras el circuito de retroalimentación continúe funcionando.

La línea de retardo funcionó como un registro de desplazamiento primero en entrar, primero en salir (FIFO), y la retroalimentación externa convirtió ese comportamiento del registro de desplazamiento en un contador de anillo, ciclando los bits indefinidamente.

El concepto de línea de retardo sufrió numerosas limitaciones debido a los materiales y la tecnología que estaban disponibles en ese momento. La computadora EDVAC de principios de la década de 1950 usaba 128 tubos llenos de mercurio, cada uno de unos 5 pies de largo y almacenaba un máximo de 384 bits.

Los cambios de temperatura afectarían la velocidad del sonido en el mercurio, sesgando así el retardo de tiempo en cada tubo y causando problemas de sincronización. Los diseños posteriores reemplazaron el medio de mercurio líquido con varillas sólidas de vidrio, cuarzo o metal especial que retrasaron las ondas de torsión (torsión) en lugar de las ondas longitudinales (a lo largo) y operaron a frecuencias mucho más altas.

Una de esas líneas de retardo utilizó un alambre especial de níquel-hierro-titanio (elegido por su buena estabilidad de temperatura) de unos 95 pies de largo, enrollado para reducir el tamaño total del paquete. El tiempo de retardo total de un extremo del cable al otro fue de aproximadamente 9,8 milisegundos, y la frecuencia de reloj práctica más alta fue de 1 MHz.

Esto significaba que se podían almacenar aproximadamente 9800 bits de datos en el cable de la línea de retardo en cualquier momento. Dados los diferentes medios para retrasar las señales que no serían tan susceptibles a las variables ambientales (como pulsos de luz en serie dentro de una fibra óptica larga), este enfoque algún día podría encontrar una nueva aplicación.

Otro enfoque experimentado por los primeros ingenieros informáticos fue el uso de un tubo de rayos catódicos (CRT), el tipo comúnmente utilizado para pantallas de visualización de osciloscopio, radar y televisión, para almacenar datos binarios. Normalmente, el haz de electrones enfocado y dirigido en un CRT se usaría para hacer brillar trozos de fósforo químico en el interior del tubo, produciendo así una imagen visible en la pantalla.

En esta aplicación, sin embargo, el resultado deseado fue la creación de una carga eléctrica en el vidrio de la pantalla por el impacto del haz de electrones, que luego sería detectado por una rejilla metálica colocada directamente frente al CRT. Al igual que la línea de retardo, el llamado Williams Tube la memoria necesitaba actualizarse periódicamente con circuitos externos para retener sus datos. A diferencia de los mecanismos de la línea de retardo, era prácticamente inmune a los factores ambientales de temperatura y vibración.

La computadora IBM modelo 701 lucía una memoria Williams Tube con capacidad de 4 Kilobytes y un mal hábito de "sobrecargar" bits en la pantalla del tubo con reescrituras sucesivas para que los falsos estados "1" pudieran desbordarse a puntos adyacentes en la pantalla.

El siguiente gran avance en la memoria de la computadora se produjo cuando los ingenieros recurrieron a los materiales magnéticos como medio para almacenar datos binarios. Se descubrió que ciertos compuestos de hierro, a saber, la "ferrita", poseían curvas de histéresis que eran casi cuadradas:

Se muestra en un gráfico con la fuerza del campo magnético aplicado en el eje horizontal ( intensidad del campo ) y la magnetización real (orientación de los espines de electrones en el material de ferrita) en el eje vertical ( densidad de flujo ), la ferrita no se magnetizará en una dirección hasta que el campo aplicado exceda un valor de umbral crítico. Una vez que se excede ese valor crítico, los electrones en la ferrita "encajan" en la alineación magnética y la ferrita se magnetiza.

Si luego se apaga el campo aplicado, la ferrita mantiene un magnetismo completo. Para magnetizar la ferrita en la otra dirección (polaridad), el campo magnético aplicado debe exceder el valor crítico en la dirección opuesta. Una vez que se excede ese valor crítico, los electrones en la ferrita "encajan" en la alineación magnética en la dirección opuesta. Una vez más, si el campo aplicado se apaga, la ferrita mantiene el magnetismo completo. En pocas palabras, la magnetización de una pieza de ferrita es "biestable".

Aprovechando esta extraña propiedad de la ferrita, podemos usar este “pestillo” magnético natural para almacenar un bit binario de datos. Para configurar o restablecer este "pestillo", podemos usar corriente eléctrica a través de un cable o bobina para generar el campo magnético necesario, que luego se aplicará a la ferrita.

Jay Forrester del MIT aplicó este principio al inventar la memoria de "núcleo" magnético, que se convirtió en la tecnología de memoria informática dominante durante la década de 1970.

Una rejilla de cables, aislados eléctricamente entre sí, atraviesa el centro de muchos anillos de ferrita, cada uno de los cuales se denomina "núcleo". A medida que la corriente CC se movía a través de cualquier cable desde la fuente de alimentación a tierra, se generó un campo magnético circular alrededor de ese cable energizado.

Los valores de la resistencia se establecieron de modo que la cantidad de corriente en el voltaje de la fuente de alimentación regulada produjera un poco más de la mitad de la intensidad del campo magnético crítico necesaria para magnetizar cualquiera de los anillos de ferrita. Por lo tanto, si se energizara el cable de la columna # 4, todos los núcleos de esa columna estarían sujetos al campo magnético de ese cable, pero no sería lo suficientemente fuerte como para cambiar la magnetización de ninguno de esos núcleos.

Sin embargo, si el cable de la columna # 4 y el cable de la fila # 5 estuvieran energizados, el núcleo en esa intersección de la columna # 4 y la fila # 5 estaría sujeto a una suma de esos dos campos magnéticos:una magnitud lo suficientemente fuerte como para "establecer" o "Restablecer" la magnetización de ese núcleo. En otras palabras, cada núcleo se abordó mediante la intersección de fila y columna. La distinción entre "establecer" y "restablecer" era la dirección de la polaridad magnética del núcleo, y ese valor de bits de los datos estaría determinado por la polaridad de los voltajes (con respecto a tierra) con los que se energizarían los cables de fila y columna. .

La siguiente fotografía muestra una placa de memoria central de una computadora modelo "Nova" de la marca Data General, alrededor de fines de la década de 1960 o principios de la de 1970. Tenía una capacidad de almacenamiento total de 4 kbytes (eso es kilo bytes, no mega bytes!). Se muestra un bolígrafo para comparar tamaños:

Los componentes electrónicos que se ven alrededor de la periferia de esta placa se utilizan para "impulsar" los cables de la columna y la fila con corriente, y también para leer el estado de un núcleo. Una fotografía de cerca revela los núcleos en forma de anillo, a través de los cuales se enhebran los alambres de la matriz. Nuevamente, se muestra un bolígrafo para comparar el tamaño:

En la siguiente fotografía se muestra una placa de memoria central de diseño posterior (alrededor de 1971). Sus núcleos son mucho más pequeños y están más densamente empaquetados, lo que brinda más capacidad de almacenamiento de memoria que la placa anterior (8 kbytes en lugar de 4 kbytes):

Y otro primer plano de los núcleos:

Escribir datos en la memoria central era bastante fácil, pero leer esos datos era un truco. Para facilitar esta función esencial, se pasó un cable de "lectura" a través de todos los núcleos en una matriz de memoria, un extremo está conectado a tierra y el otro extremo conectado a un circuito amplificador.

Se generaría un pulso de voltaje en este cable de "lectura" si el núcleo direccionado cambia estados (de 0 a 1 o de 1 a 0). En otras palabras, para leer el valor de un núcleo, tenía que escribir ya sea un 1 o un 0 a ese núcleo y controle el voltaje inducido en el cable de lectura para ver si el núcleo cambió. Obviamente, si se cambiara el estado del núcleo, tendría que restablecerlo a su estado original o, de lo contrario, los datos se habrían perdido.

Este proceso se conoce como lectura destructiva , porque los datos pueden modificarse (destruirse) a medida que se leen. Por lo tanto, la actualización es necesaria con la memoria del núcleo, aunque no en todos los casos (es decir, en el caso del estado del núcleo no cambiando cuando se le escribió un 1 o un 0).

Una de las principales ventajas de la memoria central sobre las líneas de retardo y los tubos Williams fue la no volatilidad. Los núcleos de ferrita mantuvieron su magnetización de forma indefinida, sin necesidad de energía ni de refresco. También fue relativamente fácil de construir, más denso y físicamente más resistente que cualquiera de sus predecesores.

La memoria del núcleo se utilizó desde la década de 1960 hasta finales de la de 1970 en muchos sistemas informáticos, incluidas las computadoras utilizadas para el programa espacial Apollo, las computadoras de control de máquinas herramienta CNC, las computadoras comerciales ("mainframe") y los sistemas de control industrial. A pesar de que la memoria central está obsoleta durante mucho tiempo, el término "núcleo" todavía se utiliza a veces con referencia a la memoria RAM de una computadora.

Mientras se inventaban las líneas de retardo, el tubo Williams y las tecnologías de memoria central, se mejoraba la RAM estática simple con tecnología de componentes activos más pequeños (tubo de vacío o transistor). La RAM estática nunca fue eclipsada por completo por sus competidores:incluso la vieja computadora ENIAC de la década de 1950 usaba circuitos de contador de anillo de tubo de vacío para registros de datos y computación. Sin embargo, con el tiempo, la tecnología de fabricación de chips IC cada vez a menor escala dio a los transistores la ventaja práctica sobre otras tecnologías, y la memoria central se convirtió en una pieza de museo en la década de 1980.

Un último intento de una memoria magnética mejor que el núcleo fue la memoria de burbujas . La memoria de burbujas aprovechó un fenómeno peculiar en un mineral llamado granate , que, cuando estaba dispuesta en una película delgada y expuesta a un campo magnético constante perpendicular a la película, sostenía pequeñas regiones de "burbujas" magnetizadas de manera opuesta que podían empujarse a lo largo de la película presionando con otros campos magnéticos externos.

Se podrían colocar “pistas” sobre el granate para enfocar el movimiento de las burbujas depositando material magnético en la superficie de la película. Se formó una pista continua en el granate que dio a las burbujas un bucle largo en el que viajar, y se aplicó fuerza motriz a las burbujas con un par de bobinas de alambre enrolladas alrededor del granate y energizadas con un voltaje de 2 fases. Las burbujas se pueden crear o destruir con una pequeña bobina de alambre colocada estratégicamente en el camino de las burbujas.

La presencia de una burbuja representaba un "1" binario y la ausencia de una burbuja representaba un "0" binario. Los datos se pueden leer y escribir en esta cadena de burbujas magnéticas en movimiento a medida que pasan por la pequeña bobina de alambre, muy similar a la “cabeza” de lectura / escritura en un reproductor de casetes, leyendo la magnetización de la cinta mientras se mueve.

Al igual que la memoria central, la memoria de burbujas no era volátil:un imán permanente proporcionaba el campo de fondo necesario para soportar las burbujas cuando se apagaba la energía. Sin embargo, a diferencia de la memoria central, la memoria de burbujas tenía una densidad de almacenamiento fenomenal:se podían almacenar millones de bits en un chip de granate de solo un par de pulgadas cuadradas. Lo que mató a la memoria de burbujas como alternativa viable a la RAM estática y dinámica fue su acceso lento y secuencial a los datos.

Siendo nada más que un registro de desplazamiento en serie increíblemente largo (contador de anillo), el acceso a cualquier porción particular de datos en la cadena en serie podría ser bastante lento en comparación con otras tecnologías de memoria.

Un equivalente electrostático de la memoria de burbujas es el Dispositivo de carga acoplada (CCD), una adaptación de los dispositivos CCD utilizados en fotografía digital. Al igual que la memoria de burbujas, los bits se desplazan en serie a lo largo de los canales del material del sustrato mediante pulsos de reloj. A diferencia de la memoria de burbujas, las cargas electrostáticas decaen y deben actualizarse.

Por tanto, la memoria CCD es volátil, con alta densidad de almacenamiento y acceso secuencial. Interesante, ¿no? La antigua memoria de Williams Tube se adaptó de CRT visualización tecnología y memoria CCD de tecnología de grabación de video .