Technologies de mémoire historiques non mécaniques

La technique la plus ingénieuse était peut-être celle de la ligne à retard . Une ligne à retard est tout type de dispositif qui retarde la propagation d'un signal d'impulsion ou d'onde. Si vous avez déjà entendu un écho sonore dans un canyon ou une grotte, vous avez déjà ressenti une ligne de retard audio :l'onde de bruit se déplace à la vitesse du son, rebondissant sur les murs et inversant le sens de déplacement.

La ligne à retard « stocke » des données de manière très temporaire si le signal n'est pas renforcé périodiquement, mais le fait même qu'elle stocke des données est un phénomène exploitable pour la technologie de la mémoire.

Les premières lignes à retard informatiques utilisaient de longs tubes remplis de mercure liquide, qui était utilisé comme support physique à travers lequel les ondes sonores se déplaçaient le long du tube. Un transducteur électrique/sonore a été monté à chaque extrémité, l'un pour créer des ondes sonores à partir d'impulsions électriques et l'autre pour générer des impulsions électriques à partir d'ondes sonores.

Un flux de données binaires série a été envoyé au transducteur de transmission en tant que signal de tension. La séquence d'ondes sonores se déplacerait de gauche à droite à travers le mercure dans le tube et serait reçue par le transducteur à l'autre extrémité. Le transducteur récepteur recevrait les impulsions dans le même ordre qu'elles ont été transmises :

Un circuit de rétroaction connecté au transducteur récepteur entraînerait à nouveau le transducteur émetteur, envoyant la même séquence d'impulsions à travers le tube que les ondes sonores, stockant les données tant que le circuit de rétroaction continuait de fonctionner.

La ligne à retard fonctionnait comme un registre à décalage premier entré, premier sorti (FIFO), et la rétroaction externe a transformé ce comportement de registre à décalage en un compteur en anneau, faisant tourner les bits indéfiniment.

Le concept de ligne à retard a subi de nombreuses limitations dues aux matériaux et à la technologie qui étaient alors disponibles. L'ordinateur EDVAC du début des années 50 utilisait 128 tubes remplis de mercure, chacun mesurant environ 1,50 mètre de long et stockant un maximum de 384 bits.

Les changements de température affecteraient la vitesse du son dans le mercure, faussant ainsi le délai dans chaque tube et provoquant des problèmes de synchronisation. Les conceptions ultérieures ont remplacé le milieu de mercure liquide par des tiges solides de verre, de quartz ou de métal spécial qui retardaient les ondes de torsion (torsion) plutôt que les ondes longitudinales (dans le sens de la longueur) et fonctionnaient à des fréquences beaucoup plus élevées.

L'une de ces lignes à retard utilisait un fil spécial nickel-fer-titane (choisi pour sa bonne stabilité à la température) d'environ 95 pieds de long, enroulé pour réduire la taille globale de l'emballage. Le temps de retard total d'une extrémité du fil à l'autre était d'environ 9,8 millisecondes et la fréquence d'horloge pratique la plus élevée était de 1 MHz.

Cela signifiait qu'environ 9800 bits de données pouvaient être stockés dans le fil de la ligne à retard à un moment donné. Étant donné les différents moyens de retarder les signaux qui ne seraient pas si sensibles aux variables environnementales (telles que les impulsions lumineuses en série dans une longue fibre optique), cette approche pourrait un jour trouver une nouvelle application.

Une autre approche expérimentée par les premiers informaticiens était l'utilisation d'un tube à rayons cathodiques (CRT), le type couramment utilisé pour les oscilloscopes, les radars et les écrans de télévision, pour stocker des données binaires. Normalement, le faisceau d'électrons focalisé et dirigé dans un tube cathodique serait utilisé pour faire briller des morceaux de phosphore à l'intérieur du tube, produisant ainsi une image visible sur l'écran.

Dans cette application, cependant, le résultat recherché était la création d'une charge électrique sur le verre de l'écran par l'impact du faisceau d'électrons, qui serait alors détectée par une grille métallique placée directement devant le tube cathodique. Comme la ligne à retard, le soi-disant Williams Tube la mémoire devait être périodiquement rafraîchie avec des circuits externes pour conserver ses données. Contrairement aux mécanismes de la ligne à retard, il était pratiquement immunisé contre les facteurs environnementaux de température et de vibration.

L'ordinateur IBM modèle 701 arborait une mémoire Williams Tube d'une capacité de 4 kilo-octets et une mauvaise habitude de « surcharger » les bits sur l'écran du tube avec des réécritures successives afin que les faux états « 1 » puissent déborder vers des points adjacents sur l'écran.

La prochaine avancée majeure dans la mémoire informatique est survenue lorsque les ingénieurs se sont tournés vers les matériaux magnétiques comme moyen de stocker des données binaires. On a découvert que certains composés du fer, à savoir la « ferrite », possédaient des courbes d'hystérésis presque carrées :

Montré sur un graphique avec la force du champ magnétique appliqué sur l'axe horizontal (intensité du champ ), et l'aimantation réelle (orientation des spins électroniques dans le matériau ferrite) sur l'axe vertical (densité de flux ), la ferrite ne deviendra pas magnétisée dans une direction tant que le champ appliqué ne dépassera pas une valeur seuil critique. Une fois que cette valeur critique est dépassée, les électrons de la ferrite « s'enclenchent » dans l'alignement magnétique et la ferrite devient magnétisée.

Si le champ appliqué est ensuite désactivé, la ferrite maintient un magnétisme complet. Pour magnétiser la ferrite dans l'autre sens (polarité), le champ magnétique appliqué doit dépasser la valeur critique dans le sens opposé. Une fois cette valeur critique dépassée, les électrons de la ferrite « s'alignent » magnétiquement dans la direction opposée. Encore une fois, si le champ appliqué est ensuite désactivé, la ferrite maintient un magnétisme complet. Pour faire simple, l'aimantation d'un morceau de ferrite est « bistable ».

En exploitant cette étrange propriété de la ferrite, nous pouvons utiliser ce « verrou » magnétique naturel pour stocker un bit binaire de données. Pour régler ou réinitialiser ce « verrou », nous pouvons utiliser un courant électrique à travers un fil ou une bobine pour générer le champ magnétique nécessaire, qui sera ensuite appliqué à la ferrite.

Jay Forrester du MIT a appliqué ce principe en inventant la mémoire magnétique « noyau », qui est devenue la technologie de mémoire informatique dominante dans les années 1970.

Une grille de fils, isolés électriquement les uns des autres, traversant le centre de nombreux anneaux de ferrite, chacun étant appelé un "noyau". Au fur et à mesure que le courant continu traversait n'importe quel fil de l'alimentation à la terre, un champ magnétique circulaire était généré autour de ce fil sous tension.

Les valeurs de résistance ont été réglées de sorte que la quantité de courant à la tension d'alimentation régulée produise un peu plus de la moitié de l'intensité du champ magnétique critique nécessaire pour magnétiser l'un des anneaux de ferrite. Par conséquent, si le fil de la colonne n°4 était sous tension, tous les noyaux de cette colonne seraient soumis au champ magnétique de ce fil, mais il ne serait pas assez puissant pour modifier la magnétisation de l'un de ces noyaux.

Cependant, si le fil de la colonne 4 et le fil de la ligne 5 étaient tous deux sous tension, le noyau à cette intersection de la colonne 4 et de la ligne 5 serait soumis à une somme de ces deux champs magnétiques :une magnitude suffisamment forte pour « régler » ou « réinitialiser » la magnétisation de ce noyau. En d'autres termes, chaque noyau a été adressé par l'intersection de la ligne et de la colonne. La distinction entre "set" et "reset" était la direction de la polarité magnétique du noyau, et cette valeur binaire des données serait déterminée par la polarité des tensions (par rapport à la terre) avec lesquelles les fils de ligne et de colonne seraient alimentés. .

La photographie suivante montre une carte mémoire principale d'une marque Data General, un ordinateur modèle "Nova", vers la fin des années 1960 ou le début des années 1970. Il avait une capacité de stockage totale de 4 ko (c'est kilo octets, pas méga octets !). Un stylo à bille est montré pour la comparaison de taille :

Les composants électroniques visibles à la périphérie de cette carte sont utilisés pour « alimenter » les fils de colonne et de rangée avec du courant, et également pour lire l'état d'un noyau. Une photographie en gros plan révèle les noyaux en forme d'anneau, à travers lesquels passent les fils de la matrice. Encore une fois, un stylo à bille est affiché pour la comparaison de taille :

Une carte mémoire centrale de conception ultérieure (vers 1971) est montrée sur la photo suivante. Ses cœurs sont beaucoup plus petits et plus denses, offrant plus de capacité de stockage mémoire que l'ancienne carte (8 ko au lieu de 4 ko) :

Et, un autre gros plan des cœurs :

L'écriture de données dans la mémoire centrale était assez facile, mais la lecture de ces données était un peu compliquée. Pour faciliter cette fonction essentielle, un fil de « lecture » ​​a été enfilé dans tout les noyaux d'une matrice mémoire, dont une extrémité est mise à la terre et l'autre extrémité connectée à un circuit amplificateur.

Une impulsion de tension serait générée sur ce fil de « lecture » ​​si le noyau adressé changeait états (de 0 à 1, ou de 1 à 0). En d'autres termes, pour lire la valeur d'un noyau, vous deviez écrire soit un 1 ou un 0 à ce noyau et surveillez la tension induite sur le fil de lecture pour voir si le noyau a changé. Évidemment, si l'état du noyau était modifié, vous devrez le réinitialiser à son état d'origine, sinon les données auraient été perdues.

Ce processus est connu sous le nom de lecture destructive , car les données peuvent être modifiées (détruites) lors de leur lecture. Ainsi, un rafraîchissement est nécessaire avec la mémoire centrale, mais pas dans tous les cas (c'est-à-dire dans le cas de l'état du cœur pas changeant quand un 1 ou un 0 y a été écrit).

L'un des principaux avantages de la mémoire centrale par rapport aux lignes à retard et aux tubes Williams était la non-volatilité. Les noyaux de ferrite ont maintenu leur magnétisation indéfiniment, sans alimentation ni rafraîchissement requis. Il était également relativement facile à construire, plus dense et physiquement plus robuste que n'importe lequel de ses prédécesseurs.

La mémoire centrale a été utilisée des années 1960 à la fin des années 1970 dans de nombreux systèmes informatiques, y compris les ordinateurs utilisés pour le programme spatial Apollo, les ordinateurs de contrôle de machines-outils CNC, les ordinateurs d'entreprise (« mainframe ») et les systèmes de contrôle industriels. Malgré le fait que la mémoire centrale soit obsolète depuis longtemps, le terme « core » est encore parfois utilisé en référence à la mémoire RAM d'un ordinateur.

Pendant que les lignes à retard, Williams Tube et les technologies de mémoire de base étaient inventées, la simple RAM statique était améliorée avec une technologie de composants actifs plus petits (tube à vide ou transistor). La RAM statique n'a jamais été totalement éclipsée par ses concurrents :même le vieil ordinateur ENIAC des années 1950 utilisait des circuits de compteur annulaire à tube à vide pour les registres de données et le calcul. Finalement, cependant, la technologie de fabrication de puces IC de plus en plus petite a donné aux transistors un avantage pratique sur les autres technologies, et la mémoire centrale est devenue une pièce de musée dans les années 1980.

Une dernière tentative de mémoire magnétique meilleure que le noyau était la mémoire à bulles . La mémoire des bulles a profité d'un phénomène particulier dans un minéral appelé grenat , qui, lorsqu'elles sont disposées dans un film mince et exposées à un champ magnétique constant perpendiculairement au film, supportaient de minuscules régions de « bulles » magnétisées de manière opposée qui pouvaient être poussées le long du film en poussant avec d'autres champs magnétiques externes.

Des « pistes » pourraient être posées sur le grenat pour focaliser le mouvement des bulles en déposant un matériau magnétique à la surface du film. Une piste continue a été formée sur le grenat qui a donné aux bulles une longue boucle dans laquelle se déplacer, et une force motrice a été appliquée aux bulles avec une paire de bobines de fil enroulées autour du grenat et alimentées par une tension biphasée. Des bulles pourraient être créées ou détruites avec une petite bobine de fil stratégiquement placée sur le chemin des bulles.

La présence d'une bulle représentait un « 1 » binaire et l'absence de bulle représentait un « 0 » binaire. Les données pourraient être lues et écrites dans cette chaîne de bulles magnétiques en mouvement lorsqu'elles passaient par la minuscule bobine de fil, à peu près la même chose que la « tête » de lecture/écriture dans un lecteur de cassettes, lisant la magnétisation de la bande lorsqu'elle se déplace.

Comme la mémoire centrale, la mémoire à bulles était non volatile :un aimant permanent fournissait le champ de fond nécessaire pour supporter les bulles lorsque l'alimentation était coupée. Contrairement à la mémoire centrale, cependant, la mémoire à bulles avait une densité de stockage phénoménale :des millions de bits pouvaient être stockés sur une puce de grenat de seulement quelques pouces carrés. Ce qui a tué la mémoire à bulles en tant qu'alternative viable à la RAM statique et dynamique, c'est son accès lent et séquentiel aux données.

N'étant rien de plus qu'un registre à décalage série incroyablement long (compteur en anneau), l'accès à une partie particulière des données de la chaîne série peut être assez lent par rapport à d'autres technologies de mémoire.

Un équivalent électrostatique de la mémoire à bulles est le Dispositif à couplage de charge mémoire (CCD), une adaptation des dispositifs CCD utilisés en photographie numérique. Comme la mémoire à bulles, les bits sont décalés en série le long des canaux sur le matériau du substrat par des impulsions d'horloge. Contrairement à la mémoire à bulles, les charges électrostatiques diminuent et doivent être rafraîchies.

La mémoire CCD est donc volatile, avec une densité de stockage élevée et un accès séquentiel. Intéressant, n'est-ce pas ? L'ancienne mémoire de Williams Tube a été adaptée à partir de la visualisation du CRT et la mémoire CCD de la technologie d'enregistrement vidéo .