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历史的,非机械的记忆技术

第十五章-数码储存(记忆体)

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也许最巧妙的技术是延迟线.延迟线是延迟脉冲或波信号传播的任何一种设备。如果你曾在峡谷或洞穴中听到过声音的回声,那么你一定经历过声音延迟线:噪音波以声速传播,在墙壁上反弹,并反向传播。

如果信号没有周期性地增强,延迟线就会在非常临时的基础上“存储”数据,但它存储数据的事实本身就是一种可以被存储技术利用的现象。

早期的计算机延迟线使用的是装满液体水银的长管,声波通过这种长管传播是一种物理介质。每一端都安装了一个电子/声音换能器,一个从电脉冲中产生声波,另一个从声波中产生电脉冲。

串行二进制数据流作为电压信号发送到发射传感器。声波序列将从左到右穿过管中的水银,并被另一端的换能器接收。接收传感器接收脉冲的顺序与脉冲发送的顺序相同:

连接到接收传感器的反馈电路将再次驱动发送传感器,通过管道发送与声波相同的脉冲序列,只要反馈电路继续工作,就存储数据。

延迟线的功能类似于先进先出(FIFO)移位寄存器,外部反馈将移位寄存器的行为转化为环形计数器,无限循环位。

延迟线概念受到当时可用材料和技术的诸多限制。20世纪50年代早期的EDVAC计算机使用128根充汞管,每根约5英尺长,最多可存储384位。

温度变化会影响水银中的声速,从而使每根管子中的时间延迟出现偏差,并导致计时问题。后来的设计用玻璃、石英或特殊金属制成的实心棒取代了液态水银介质,这种实心棒可以延迟扭转(扭转)波,而不是纵向(纵向)波波,并以更高的频率运行。

其中一根延迟线使用了一种特殊的镍-铁-钛金属线(选择这种线是因为它具有良好的温度稳定性),大约95英尺长,盘绕起来以减少整体包装的尺寸。从导线一端到另一端的总延迟时间约为9.8毫秒,最高的实际时钟频率为1 MHz。

这意味着在任何给定的时间,大约有9800位数据可以存储在延迟线上。如果考虑到延迟信号的不同方法对环境变量(如长光纤中的光脉冲序列)不那么敏感,这种方法可能有一天会重新得到应用。

早期计算机工程师试验的另一种方法是使用阴极射线管(CRT)来存储二进制数据,这种类型通常用于示波器、雷达和电视屏幕。通常,在阴极射线管中聚焦和定向的电子束会被用来使管内部的少量化学磷发光,从而在屏幕上产生可见的图像。

然而,在这种应用中,预期的结果是电子束的冲击在屏幕玻璃上产生电荷,然后直接放置在阴极射线管前面的金属栅格会检测到电荷。喜欢的延迟线,所谓的威廉姆斯管内存需要用外部电路定期刷新以保留数据。与延迟线机制不同,它几乎不受温度和振动等环境因素的影响。

IBM 701型计算机使用了容量为4kb的Williams Tube内存,并有一个坏习惯,即连续重写,从而导致错误的“1”状态可能溢出到屏幕上相邻的位置。

当工程师们将磁性材料作为存储二进制数据的方法时,计算机存储器的下一个重大进步出现了。人们发现,铁的某些化合物,即“铁素体”,具有几乎是平方的迟滞曲线:

图中所示为水平轴上的外加磁场强度(电场强度),以及在垂直轴上的实际磁化强度(电子自旋在铁氧体材料中的方向)(通量密度),只有当外加磁场超过一个临界值时,铁氧体才会单向磁化。一旦超过这个临界值,铁氧体中的电子就会“啪”地进入磁性排列,铁氧体就会被磁化。

如果随后关闭外加磁场,铁氧体将保持完全磁性。要在另一个方向(极性)磁化铁氧体,施加的磁场必须在相反方向超过临界值。一旦超过这个临界值,铁氧体中的电子就会以相反的方向“突然”进入磁性排列。再次,如果关闭外加磁场,铁氧体将保持完全磁性。简单地说,一块铁氧体的磁化是“双稳态”的

利用铁氧体的这种奇特特性,我们可以用这种天然的磁“闩”来存储二进制位数据。为了设置或重置这个“锁存器”,我们可以使用电流通过电线或线圈产生必要的磁场,然后施加到铁氧体上。

麻省理工学院(MIT)的杰伊·弗雷斯特(Jay Forrester)将这一原理应用于发明磁芯存储器(magnetic“core”memory)。磁芯存储器在20世纪70年代成为主要的计算机存储技术。

一个相互电绝缘的导线网格,穿过许多铁氧体环的中心,每个铁氧体环被称为“磁芯”。当直流电流通过任何导线从电源传输到地面时,通电导线周围产生一个圆形磁场。

设置电阻器的值,使得在稳压电源电压下的电流会产生略多于使任何一个铁氧体环磁化所需的临界磁场强度的1/2。因此,如果第4列电线通电,柱子上的所有铁芯都会受到来自这一根电线的磁场,但它不会强大到足以改变任何铁芯的磁化强度。

然而,如果第4列导线和第5列导线同时通电,那么第4列导线和第5列导线交点处的核心将受到这两种磁场之和的影响:强度足以“设置”或“重置”该核心的磁化强度。换句话说,每个核都由行和列的交集来处理。“设置”和“复位”之间的区别是磁芯的磁极方向,数据的位值将由电压(相对于地)的极性决定,这一行和列的导线将与之通电。

下面的照片显示了一个核心内存板从数据通用品牌,“新星”模型电脑,大约在60年代末或70年代初。它的总存储容量是4千字节公斤字节,不大型字节)。图中显示了一支圆珠笔的大小对比:

电子元件看到周围的这个板是用来“驱动”列和排电线与电流,也读取一个核心的状态。一张特写照片揭示了环形的铁芯,通过铁芯,基体线穿过了铁芯。同样,圆珠笔的大小比较:

下一张照片显示的是后来设计的核心记忆板(大约1971年)。它的核心更小,更密集,提供了比前一个板更多的内存存储容量(8千字节而不是4千字节):

另一张核心的特写照片:

将数据写入核心内存很容易,但读取数据就有点难了。为了方便这个基本功能,通过一个“读”连接全部的存储器矩阵中的铁芯,一端接地,另一端连接放大器电路。

如果被寻址的核心,电压脉冲将在这个“读”导线上产生改变了state(从0到1,或从1到0)。换句话说,要读取核心的值,你必须向该磁芯输入1或0,并监测读取导线上感应的电压,以查看磁芯是否发生了变化。显然,如果磁芯的状态发生了变化,则必须将其重新设置为原始状态,否则数据将丢失。

这个过程被称为破坏性的读,因为数据在读取时可能会更改(销毁)。因此,刷新对于核心内存是必要的,尽管不是在所有情况下(即,在核心状态的情况下)在写入1或0时发生更改)。

与延迟线和威廉姆斯管相比,磁芯存储器的一个主要优势是非易失性。铁氧体磁芯可以无限期地保持其磁化状态,无需电源或刷新。它也相对容易制造,密度更高,并且比任何一款前代产品都更坚固。

核心存储器从1960年代到1970年代末在许多计算机系统中使用,包括用于阿波罗太空计划的计算机、数控机床控制计算机、商业(“主机”)计算机和工业控制系统。尽管核心存储器已经过时很长时间了,术语“核心”仍然有时被用来指计算机的随机存取存储器。

在延迟线、威廉姆斯管和核心存储技术被发明的同时,简单的静态RAM也被更小的有源元件(真空管或晶体管)技术所改进。静态RAM从未完全被它的竞争对手所取代:即使是20世纪50年代的老式ENIAC计算机也使用真空管环形计数器电路来进行数据寄存器和计算。最终,越来越小的集成电路芯片制造技术使晶体管比其他技术具有实际的优势,核心存储器在20世纪80年代成为博物馆的展品。

最后一次尝试比磁芯更好的磁存储器是记忆泡沫.泡沫记忆利用了一种叫做石榴石,当排列在薄膜中并暴露在垂直于薄膜的恒定磁场中时,支撑着相反磁化的“气泡”的微小区域,这些气泡可以通过其他外部磁场的刺激沿着薄膜推进。

通过在薄膜表面沉积磁性材料,可以在石榴石上铺设“轨迹”,聚焦气泡的运动。在石榴石上形成一个连续的轨迹,使气泡形成一个长环路,并通过缠绕在石榴石上的一对线圈对气泡施加动力,并通过两相电压供电。在气泡的路径上策略性地放置一圈小线圈,就可以产生或消灭气泡。

气泡的存在表示二进制的“1”,而不存在气泡则表示二进制的“0”。当这些移动的磁泡经过微小的线圈时,数据可以在这些磁泡链中读取和写入,就像盒式磁带播放机的读/写“头”,读取磁带移动时的磁化强度。

和核心存储器一样,泡泡存储器也是非易失性的:当电源关闭时,一块永久磁铁提供了支持泡泡所需的背景磁场。然而,与核心存储器不同,泡泡存储器具有惊人的存储密度:在一块只有几平方英寸大小的石榴石芯片上可以存储数百万位。是什么杀死了泡泡存储器泡泡存储器作为静态和动态RAM的一种可行的替代品,其缓慢、连续的数据访问。

由于只是一个非常长的串行移位寄存器(环形计数器),与其他存储技术相比,访问串行字符串中任何特定部分的数据都可能非常慢。

泡沫存储器的静电等效物是电荷耦合器件(CCD)存储器,数字摄影中使用的CCD器件的一种改编。与气泡存储器一样,位通过时钟脉冲沿基板材料上的通道连续移动。与气泡存储器不同,静电电荷衰减,必须刷新。

因此,CCD存储器是易失的,具有高存储密度和顺序访问。很有趣,不是吗?旧的威廉姆斯管存储器改编自CRT查看技术,以及来自视频的CCD存储器录音技术