Краткая история развития устройств памяти

Какой была машинная память в начале своего пути и как она развивалась — об этом наш краткий исторический очерк.

Разнообразие первых запоминающих устройств было большим – от перфокарт до цифровых схем на электронных лампах, способных хранить 4 096 битов.

Интегральная память

«640 кбайт достаточно для любых целей», – произнес однажды Билл Гейтс свою знаменитую фразу, имея в виду ОЗУ в персональных компьютерах. По крайней мере, молва приписывает ему это высказывание. Сам же он отрицает свою причастность, а первоисточники, способные пролить свет на появление данного эпизода, канули в лету. Тем не менее, когда-то 640 кбайт действительно казались огромным объемом. Ведь в том время у пользователей в распоражении было, как правило, всего 64 кбайт памяти. А еще были времена, когда память стоила по доллару за бит!

Взглянем на историю развития устройств хранения данных и проследим, как менялась их информационная емкость.

Перфокарты

До появления магнитной и электронной памяти инженеры использовали перфокарты. С конца XVIII в. до конца XIX в. перфокарты и перфорированные ленты использовались для программирования ткацких станков и других промышленных механизмов. Герман Холлериф использовал их для хранения данных переписи 1890 г. Изначально в его картах содержались массивы круглых отверстий 12х24. В 1928 г. IBM выпустила обновленную версию с квадратными отверстиями, расположенными массивами 10×80 или 12×80. В компьютерах IBM 1401 используется 3 колонки для кодирования 36-разрядных слов.

Перфокарта IBM

Трубка Уильямса

В 1946 г. была разработана запоминающая электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), или трубка Уильямса-Килберна. Когда поток электронов сталкивается с экраном ЭЛТ, возникает положительный заряд, представляющий собой бит данных. Так происходит запись. Для стирания бита электронный пучок направляется в смежную со светящейся областью точку и поглощается. Металлическая сигнальная пластина сохраняет импульс напряжения каждый раз, когда заряд стирается или записывается. Таким образом система считывает данные. Поскольку заряд утекает со временем, данные должны периодически обновляться. В трубке Уильямса требуется очень точное управление положением пучка. Необходимо следить за температурой, чтобы избежать преждевременного отказа.

Запоминающая электронно-лучевая трубка

Устройства имели емкость 1024 бита. В вычислительных машинах IBM 701 использовался массив из 72 трубок диаметром три дюйма. Общая емкость составляла 2048 слов по 36 разрядов в каждом.

Селектрон

В 1946 г. Жан Райхман с коллегами из Американской радиовещательной корпорации разработал селектрон – цифровое устройство на основе ЭЛТ, которое хранит информацию в статическом заряде.

Селектрон

Селектрон состоит из катода, окруженного цилиндрической сеткой проводов, и многослойной структурой из металлических пластин, которые производят запись и чтение. Проводная сетка делит пластину для записи на глазки-ячейки для хранения битов информации. Накопление (запись) или высвобождение (чтение) статического заряда производится путем выборочной подачи напряжения на соответствующую данному биту пару ортогональных проводов. Пластина записи захватывает поток электронов для считывания данных. Диаметр селектрона составлял 76 мм, длина – 250 мм, информационная емкость – 4096 бит.

Память на магнитном барабане

Память на магнитном барабане (Изображение от IBM)

Энергонезависимая память широко применялась в ранних компьютерах. Память на магнитном барабане состоит из вращающегося цилиндра, обернутого лентами из ферромагнитного материала. Вокруг него расположен ряд неподвижных записывающих и считывающих головок, по одной на каждую ленту. В некотором смысле это 3D-аналог вращающегося жесткого диска. Технология была недорогой и обеспечивала существенный скачок в емкости и скорости.

Память на магнитном барабане стала причиной успеха суперкомпьютера IBM 650, выпущенного в 1953 г. Барабан длиной 16 дюймов и диаметром 4 дюйма вращался с частотой 750 кГц и мог хранить 8,5 кбайт данных. Для осуществления доступа к данным система ожидает, пока они не подойдут к головке. Возникающая задержка может быть использована эффективно – код записывался так, чтобы инструкции, осуществляющие обращение к памяти, вызывались через интервалы времени, равные времени ожидания команды. В результате, когда барабан переставал вращаться и возвращался к биту данных, операция была закончена и процессор был готов записать результат.

Maгнитная память

Магнитная память

Магнитная память доминировала в вычислительной технике до появления полупроводниковой памяти, примерно с середины 50-х до середины 70-х гг. Она состоит из стека двумерных массивов из ферритовых тороидов, которые независимо переключались между двумя магнитными состояниями под действием приложенного поля напряженностью H_s. Для выбора бита по соответствующим проводам Х и Y пускался ток A_s/2. Каждый провод создавал поле H_s/2. Таким образом, только на бит, лежащий на пересечении этих проводов, действовало магнитное поле с напряженностью, достаточной для переключения магнитного состояния тороида.

Память на магнитных сердечниках содержит еще два провода: выбранный и запретный. Чтобы считать данные, пропускался ток по всему массиву проводов Х и Y, устанавливая все биты 0. Поскольку те, что были в состоянии 1, переключались, переменное магнитное поле вызывало всплеск тока в выбранном проводе.

Для уменьшения задержки, упрощения схемы запуска и увеличения емкости несколько двумерных массивов стали наслаивать так, чтобы первый бит слова был сверху, второй – на втором слое и т.д. Провода X и Y проходили на всех уровнях. На каждом слое имелся отдельный массив запретных проводов, гарантирующий независимость операций чтения и записи, которые производятся в каждом бите слова.

Линия задержки

Память на линиях задержки

Память на линиях задержки – это последовательная структура, преобразующая электрические импульсы в волны, которые распространяются через линию задержки до того момента, пока не будут обнаружены на другом конце. В отличие от рассмотренных выше подходов память на линиях задержки работает по принципу FIFO – первый вошел, первый вышел. Ее емкость определяется количеством бит, которые могут находиться в линии задержки в один момент времени.

В середине 50-х в компьютерах UNIVAC I линии задержки изготавливались из ртутных трубок. Для записи процессор включал пьезоэлектрические преобразователи, которые генерировали механические волны, распространяющиеся через жидкую ртуть. В UNIVAC I использовался массив из семи 35-дюймовых трубок диаметром 8,5 дюймов. В каждой имелось 18 каналов, всего 126 каналов. Сто из них использовались для данных (1000 слов), остальные – резервные, для хранения промежуточных результатов или для контроля температуры. Последний элемент использовался в качестве ключа для обеспечения детерминированности – механические волны должны были распространяться с постоянной скоростью. Соответственно, температура ртути должна постоянно поддерживаться на отметке 38 градусов Цельсия.

Источник: EE Times

Оставьте отзывОтмена