Histórico, Tecnologias de Memória Não Mecânica

Talvez a técnica mais engenhosa seja a da linha de atraso . Uma linha de retardo é qualquer tipo de dispositivo que retarda a propagação de um pulso ou sinal de onda. Se você já ouviu um som ecoando em um desfiladeiro ou caverna, você já experimentou uma linha de atraso de áudio:a onda de ruído viaja na velocidade do som, ricocheteando nas paredes e invertendo a direção da viagem.

A linha de atraso “armazena” dados em uma base muito temporária se o sinal não for fortalecido periodicamente, mas o próprio fato de que ela armazena dados é um fenômeno explorável para a tecnologia de memória.

As primeiras linhas de atraso de computador usavam longos tubos cheios de mercúrio líquido, que era usado como meio físico através do qual as ondas sonoras viajavam ao longo do tubo. Um transdutor elétrico / sonoro foi montado em cada extremidade, um para criar ondas sonoras a partir de impulsos elétricos e o outro para gerar impulsos elétricos a partir de ondas sonoras.

Um fluxo de dados binários seriais foi enviado ao transdutor de transmissão como um sinal de tensão. A sequência de ondas sonoras viajaria da esquerda para a direita através do mercúrio no tubo e seria recebida pelo transdutor na outra extremidade. O transdutor receptor receberia os pulsos na mesma ordem em que foram transmitidos:







Um circuito de feedback conectado ao transdutor receptor acionaria o transdutor de transmissão novamente, enviando a mesma sequência de pulsos através do tubo como ondas sonoras, armazenando os dados enquanto o circuito de feedback continuasse a funcionar.

A linha de atraso funcionava como um registrador de deslocamento primeiro a entrar, primeiro a sair (FIFO), e o feedback externo transformava esse comportamento do registrador de deslocamento em um contador de anel, girando os bits indefinidamente.

O conceito de linha de atraso sofreu inúmeras limitações dos materiais e tecnologia que estavam então disponíveis. O computador EDVAC do início dos anos 1950 usava 128 tubos cheios de mercúrio, cada um com cerca de 5 pés de comprimento e armazenando no máximo 384 bits.

As mudanças de temperatura afetariam a velocidade do som no mercúrio, distorcendo assim o atraso de tempo em cada tubo e causando problemas de temporização. Projetos posteriores substituíram o meio líquido de mercúrio por barras sólidas de vidro, quartzo ou metal especial que atrasavam ondas de torção (torção) em vez de ondas longitudinais (longitudinalmente) e operavam em frequências muito mais altas.

Uma dessas linhas de retardo usava um fio especial de níquel-ferro-titânio (escolhido por sua boa estabilidade de temperatura) com cerca de 95 pés de comprimento, enrolado para reduzir o tamanho geral do pacote. O tempo de atraso total de uma extremidade do fio para a outra foi de cerca de 9,8 milissegundos, e a frequência de clock prática mais alta foi de 1 MHz.

Isso significava que aproximadamente 9.800 bits de dados podiam ser armazenados no fio da linha de atraso a qualquer momento. Dados diferentes meios de atrasar sinais que não seriam tão suscetíveis a variáveis ​​ambientais (como pulsos seriais de luz dentro de uma fibra óptica longa), esta abordagem pode algum dia encontrar reaplicação.

Outra abordagem experimentada pelos primeiros engenheiros de computação foi o uso de um tubo de raios catódicos (CRT), o tipo comumente usado para osciloscópio, radar e telas de televisão, para armazenar dados binários. Normalmente, o feixe de elétrons focalizado e direcionado em um CRT seria usado para fazer brilhar pedaços de fósforo químico no interior do tubo, produzindo assim uma imagem visível na tela.

Nesta aplicação, porém, o resultado desejado era a criação de uma carga elétrica no vidro da tela pelo impacto do feixe de elétrons, que seria então detectado por uma grade metálica colocada diretamente na frente do CRT. Como a linha de atraso, o chamado Tubo Williams a memória precisava ser atualizada periodicamente com circuitos externos para reter seus dados. Ao contrário dos mecanismos de linha de atraso, era virtualmente imune aos fatores ambientais de temperatura e vibração.

O computador IBM modelo 701 exibia uma memória Williams Tube com capacidade de 4 kilobytes e o mau hábito de “sobrecarregar” os bits na tela do tubo com reescritas sucessivas, de modo que os falsos estados “1” pudessem transbordar para pontos adjacentes na tela.

O próximo grande avanço na memória do computador veio quando os engenheiros se voltaram para os materiais magnéticos como meio de armazenar dados binários. Foi descoberto que certos compostos de ferro, nomeadamente "ferrite", possuíam curvas de histerese que eram quase quadradas:







Mostrado em um gráfico com a força do campo magnético aplicado no eixo horizontal ( intensidade do campo ), e a magnetização real (orientação dos spins do elétron no material de ferrite) no eixo vertical ( densidade de fluxo ), a ferrita não se magnetizará em uma direção até que o campo aplicado exceda um valor de limite crítico. Uma vez que esse valor crítico é excedido, os elétrons na ferrita “se encaixam” no alinhamento magnético e a ferrita torna-se magnetizada.

Se o campo aplicado for desligado, a ferrita mantém o magnetismo total. Para magnetizar a ferrite na outra direção (polaridade), o campo magnético aplicado deve exceder o valor crítico na direção oposta. Uma vez que esse valor crítico é excedido, os elétrons na ferrite “estalam” no alinhamento magnético na direção oposta. Mais uma vez, se o campo aplicado for desligado, a ferrita mantém o magnetismo total. Para simplificar, a magnetização de um pedaço de ferrite é "biestável".

Explorando essa estranha propriedade da ferrita, podemos usar essa "trava" magnética natural para armazenar um bit binário de dados. Para definir ou zerar essa “trava”, podemos usar corrente elétrica por meio de um fio ou bobina para gerar o campo magnético necessário, que será aplicado à ferrita.

Jay Forrester, do MIT, aplicou esse princípio ao inventar a memória do "núcleo" magnético, que se tornou a tecnologia de memória de computador dominante durante a década de 1970.





Uma grade de fios, eletricamente isolados uns dos outros, cruzou o centro de muitos anéis de ferrite, cada um dos quais sendo chamado de "núcleo". Conforme a corrente DC se movia através de qualquer fio da fonte de alimentação ao aterramento, um campo magnético circular era gerado ao redor desse fio energizado.

Os valores do resistor foram ajustados de forma que a quantidade de corrente na tensão de alimentação regulada produzisse um pouco mais do que 1/2 da força do campo magnético crítica necessária para magnetizar qualquer um dos anéis de ferrite. Portanto, se o fio da coluna nº 4 fosse energizado, todos os núcleos dessa coluna estariam sujeitos ao campo magnético daquele fio, mas não seria forte o suficiente para alterar a magnetização de qualquer um desses núcleos.

No entanto, se o fio da coluna # 4 e o fio da linha # 5 fossem ambos energizados, o núcleo na interseção da coluna # 4 e linha # 5 seria submetido a uma soma desses dois campos magnéticos:uma magnitude forte o suficiente para "definir" ou “Reinicie” a magnetização desse núcleo. Em outras palavras, cada núcleo foi tratado pela interseção de linha e coluna. A distinção entre "definir" e "redefinir" era a direção da polaridade magnética do núcleo, e esse valor de bit de dados seria determinado pela polaridade das tensões (em relação ao terra) com as quais os fios de linha e coluna seriam energizados .

A fotografia a seguir mostra uma placa de memória central de uma marca Data General, computador modelo “Nova”, por volta do final dos anos 1960 ou início dos anos 1970. Ele tinha uma capacidade total de armazenamento de 4 kbytes (isso é quilo bytes, não mega bytes!). Uma caneta esferográfica é mostrada para comparação de tamanhos:







Os componentes eletrônicos vistos ao redor da periferia desta placa são usados ​​para “conduzir” os fios de coluna e linha com corrente, e também para ler o status de um núcleo. Uma fotografia em close-up revela os núcleos em forma de anel, por onde passam os fios da matriz. Novamente, uma caneta esferográfica é mostrada para comparação de tamanhos:







Uma placa de memória central de design posterior (por volta de 1971) é mostrada na próxima fotografia. Seus núcleos são muito menores e mais densamente compactados, oferecendo mais capacidade de armazenamento de memória do que a placa anterior (8 kbytes em vez de 4 kbytes):







E, outro close-up dos núcleos:







Gravar dados na memória central foi fácil, mas ler esses dados foi um truque. Para facilitar esta função essencial, um fio de “leitura” foi inserido em todos os núcleos em uma matriz de memória, uma extremidade sendo aterrada e a outra extremidade conectada a um circuito amplificador.

Um pulso de tensão seria gerado neste fio de “leitura” se o núcleo endereçado mudasse estados (de 0 a 1, ou 1 a 0). Em outras palavras, para ler o valor de um núcleo, você tinha que escrever um 1 ou um 0 para esse núcleo e monitore a tensão induzida no fio de leitura para ver se o núcleo mudou. Obviamente, se o estado do núcleo foi alterado, você teria que redefini-lo ao seu estado original, ou então os dados teriam sido perdidos.

Este processo é conhecido como leitura destrutiva , porque os dados podem ser alterados (destruídos) à medida que são lidos. Assim, a atualização é necessária com a memória central, embora não em todos os casos (ou seja, no caso do estado do núcleo não mudando quando 1 ou 0 foi escrito nele).

Uma grande vantagem da memória central em relação às linhas de atraso e aos tubos Williams era a não-volatilidade. Os núcleos de ferrite mantiveram sua magnetização indefinidamente, sem necessidade de alimentação ou atualização. Também foi relativamente fácil de construir, mais denso e fisicamente mais robusto do que qualquer um de seus antecessores.

A memória central foi usada da década de 1960 até o final da década de 1970 em muitos sistemas de computador, incluindo os computadores usados ​​para o programa espacial Apollo, computadores de controle de máquina-ferramenta CNC, computadores de negócios ("mainframe") e sistemas de controle industrial. Apesar do fato de que a memória central é obsoleta há muito tempo, o termo "núcleo" ainda é usado às vezes com referência à memória RAM de um computador.

Enquanto as linhas de atraso, Williams Tube e tecnologias de memória central estavam sendo inventadas, a RAM estática simples estava sendo aprimorada com tecnologia de componente ativo menor (tubo a vácuo ou transistor). A RAM estática nunca foi totalmente eclipsada por seus concorrentes:até mesmo o velho computador ENIAC da década de 1950 usava circuito contador de tubo a vácuo para registros de dados e computação. Porém, eventualmente, a tecnologia de fabricação de chips de IC em menor e menor escala deu aos transistores uma vantagem prática sobre outras tecnologias, e a memória central tornou-se uma peça de museu na década de 1980.

Uma última tentativa de uma memória magnética melhor do que o núcleo foi a memória de bolha . A memória de bolha se aproveitou de um fenômeno peculiar em um mineral chamado granada , que, quando disposta em um filme fino e exposta a um campo magnético constante perpendicular ao filme, suportava pequenas regiões de "bolhas" magnetizadas opostas que poderiam ser empurradas ao longo do filme por cutucadas com outros campos magnéticos externos.

“Pistas” podem ser colocadas na granada para focar o movimento das bolhas, depositando material magnético na superfície do filme. Uma trilha contínua foi formada na granada, o que deu às bolhas um longo ciclo para viajar, e a força motriz foi aplicada às bolhas com um par de bobinas de arame enroladas ao redor da granada e energizadas com uma tensão bifásica. As bolhas podem ser criadas ou destruídas com uma pequena bobina de fio estrategicamente colocada no caminho das bolhas.

A presença de uma bolha representou um binário “1” e a ausência de uma bolha representou um binário “0”. Os dados podiam ser lidos e gravados nessa cadeia de bolhas magnéticas em movimento à medida que passavam pela minúscula bobina de fio, quase a mesma que a "cabeça" de leitura / gravação em um toca-fitas cassete, lendo a magnetização da fita conforme ela se move.

Como a memória central, a memória de bolhas era não volátil:um ímã permanente fornecia o campo de fundo necessário para sustentar as bolhas quando a energia era desligada. Ao contrário da memória central, no entanto, a memória de bolha tinha densidade de armazenamento fenomenal:milhões de bits podiam ser armazenados em um chip de granada com apenas alguns centímetros quadrados de tamanho. O que matou a memória de bolha como alternativa viável à RAM estática e dinâmica foi seu acesso lento e sequencial aos dados.

Sendo nada mais do que um registrador de deslocamento serial incrivelmente longo (contador de anel), o acesso a qualquer parte específica dos dados na string serial pode ser bem lento em comparação com outras tecnologias de memória.

Um equivalente eletrostático da memória de bolha é o Dispositivo Charge-Coupled (CCD) memory, uma adaptação dos dispositivos CCD usados ​​na fotografia digital. Como a memória de bolha, os bits são deslocados em série ao longo dos canais no material do substrato por pulsos de clock. Ao contrário da memória de bolha, as cargas eletrostáticas decaem e devem ser atualizadas.

A memória CCD é, portanto, volátil, com alta densidade de armazenamento e acesso sequencial. Interessante, não é? A velha memória Williams Tube foi adaptada do CRT visualização tecnologia e memória CCD de tecnologia de gravação de vídeo .