Твисторная память - Twistor memory

Твисторная память - это форма компьютерной памяти, образованная путем наматывания магнитной ленты на токоведущий провод. В функциональном отношении твистор был очень похож на оперативную память . Твистор также можно использовать для создания памяти ПЗУ , включая перепрограммируемую форму, известную как контрейлерный твистор . Обе формы можно было производить с использованием автоматизированных процессов, что, как ожидалось, приведет к гораздо более низким производственным затратам, чем системы на основе ядра.

Представленный Bell Labs в 1957 году, первое коммерческое использование было в их переключателе 1ESS, который был введен в эксплуатацию в 1965 году. Twistor использовался недолго в конце 1960-х - начале 1970-х годов, когда полупроводниковые устройства памяти заменили почти все более ранние системы памяти. Основные идеи, лежащие в основе твистора, также привели к развитию пузырьковой памяти , хотя коммерческий срок ее службы был таким же коротким.

Основная память

Строительство

Схема плоскости 4 × 4 памяти магнитного сердечника в установке совпадающего тока по линиям X / Y. X и Y - приводные линии, S - смысл, Z - запрет. Стрелки указывают направление тока для записи.

В основной памяти небольшие кольцеобразные магниты - сердечники - пронизаны двумя перекрещенными проводами, X и Y , чтобы матрица стала известна как плоскость . Когда одна Х и одна Y провода приведены в действие , магнитное поле генерируется на 45 градусов углом к проводам. Магниты сердечника располагаются на проводах под углом 45 градусов, поэтому на одиночный сердечник, обернутый вокруг точки пересечения подключенных проводов X и Y, будет воздействовать индуцированное поле.

Материалы, используемые для магнитов сердечника, были специально выбраны, чтобы иметь очень "квадратный" рисунок магнитного гистерезиса . Это означало, что поля чуть ниже определенного порога ничего не дадут, а поля чуть выше этого порога вызовут воздействие этого магнитного поля на сердечник. Квадратный узор и резкое переворачивание гарантируют, что одно ядро ​​может быть адресовано в сетке; соседние ядра будут видеть немного другое поле и не будут затронуты.

Получение данных

Основная операция в основной памяти - это запись. Это достигается за счет подачи питания на выбранные провода X и Y на уровень тока, который сам по себе создает ½ критического магнитного поля. Это приведет к тому, что поле в точке пересечения будет больше, чем точка насыщения сердечника, и сердечник будет воспринимать внешнее поле. Единицы и нули представлены направлением поля, которое можно установить, просто изменив направление тока в одном из двух проводов.

В основной памяти третий провод - линия обнаружения / запрета - необходим для записи или чтения бита . Чтение использует процесс письма; линии X и Y получают питание таким же образом, как если бы они записывали «0» в выбранное ядро. Если это ядро ​​удерживало «1» в это время, короткий импульс электричества индуцируется в линии считывания / запрета. Если импульс не наблюдается, значит на сердечнике был «0». Этот процесс деструктивен; если ядро ​​действительно удерживало «1», этот шаблон уничтожается во время чтения и должен быть переустановлен в последующей операции.

Линия распознавания / запрета является общей для всех ядер в определенной плоскости, что означает, что только один бит может быть прочитан (или записан) одновременно. Базовые плоскости обычно складывались в стопку, чтобы хранить один бит слова в каждой плоскости, и слово можно было прочитать или записать за одну операцию, работая со всеми плоскостями одновременно.

Между чтением и записью данные хранились магнитным способом. Это означает, что ядро ​​- это энергонезависимая память .

Производство

Производство ядра было серьезной проблемой. Провода X и Y должны были быть пропущены через сердечники в виде переплетения, а линия определения / запрета проходила через каждый сердечник в плоскости. Несмотря на значительные усилия, никто не смог успешно автоматизировать производство стержней, что оставалось ручной задачей до 1970-х годов. Чтобы увеличить плотность памяти, приходилось использовать ядра меньшего размера, что значительно увеличивало сложность их подключения к линиям. Хотя плотность ядра увеличилась во много раз за время его эксплуатации, стоимость ядра в расчете на бит оставалась неизменной.

Твистор

Ранняя итерация Twistor состояла из скрученного ферромагнитного провода, пропущенного через серию концентрических соленоидов (см. Прилагаемую фотографию испытательного стенда для одного «бита»). Более длинный соленоид - это катушка SENSE, тем короче - катушка WRITE. Один бит был записан путем подачи на катушку WRITE импульса тока + (1) или - (0), достаточного для намагничивания спиральной области под катушкой в ​​одном из двух направлений. На одном конце протянутого провода был соленоид READ - в импульсном режиме он посылал акустическую волну через провод. Когда акустический импульс проходил под каждой катушкой SENSE, он вызывал небольшой электрический импульс, либо +, либо - в зависимости от направления намагничивания области провода. Таким образом, с каждым импульсом «байт» может считываться последовательно.

Twistor был похож по концепции на базовую память, но заменил круглые магниты на магнитную ленту для хранения рисунков. Лента была намотана на один комплект проводов, эквивалент X-линии, таким образом, что он образовал спираль под 45 градусов . Y-провода были заменены соленоидами, наматывающими несколько витых проводов. Выбор конкретного долота был таким же, как и в сердечнике, с питанием одной линии X и Y, создавая поле под углом 45 градусов. Магнитная лента была специально выбрана так, чтобы допускать намагничивание только по длине ленты, поэтому только одна точка твистора будет иметь правильное направление поля для намагничивания.

В оригинальной системе твисторов использовалась лента из пермаллоя, намотанная на медный провод толщиной 3 мил. При любой длине провода лента наматывалась только на первую половину. Затем медную проволоку сгибали в точке, где заканчивалось ленточное полотно, и проходили обратно вдоль участка с лентой, образуя обратный провод. Это означало, что все соединения были на одном конце. Несколько таких твисторные линии были заложены бок о бок , а затем ламинируют в ПЭТ - пленки пластикового листа, с твисторами и их обратных проводов около 1/10 дюйма друг от друга. Типичная лента может иметь пять витых проводов и их возврат, поэтому лист был чуть более дюйма в ширину. Соленоид был сконструирован аналогичным образом и состоял из ряда медных лент шириной 0,15 дюйма, склеенных в пластиковую ленту тех же основных размеров, что и твистор. В отличие от традиционного соленоида с множеством витков провода вокруг открытого сердечника, эта система, по сути, представляла собой не что иное, как отдельные провода в листе пластика.

Чтобы построить полную систему памяти, лист соленоида был выложен плоско, скажем, по направлению X, а затем лист твистора был уложен сверху под прямым углом к ​​нему по оси Y. Затем соленоидную ленту перевернули так, чтобы она обернула лист твистора, образуя серию U-образных соленоидов. Теперь еще один слой соленоидной ленты накладывается на первый, скручивающая лента складывается так, чтобы теперь она проходила вдоль отрицательной оси Y поперек верхней части новой соленоидной ленты, а затем соленоидная лента складывается, чтобы сформировать второй набор петли. Этот процесс продолжается до тех пор, пока твисторная полоса не «израсходуется», образуя компактный куб памяти. Вдоль одной стороны памяти, подключенной к каждому из контуров соленоида, была серия небольших ядер, используемых исключительно для переключения (их первоначальное назначение, разработка в качестве памяти пришла позже).

Основная причина, по которой компания Bell разработала твистор, заключается в том, что этот процесс можно полностью автоматизировать. Хотя процесс фальцовки, которым завершился твистор, можно было выполнять вручную, укладку и ламинирование листов можно было легко выполнять с помощью машины. Усовершенствованные версии твистора также обернули участок чистой меди, который изначально использовался исключительно для обратного пути, тем самым удвоив плотность без каких-либо изменений в технологии производства.

Операция

Запись на твистор была фактически идентична записи на ядро; конкретный бит был выбран путем подачи питания на один из витых проводов и один из контуров соленоида на половину требуемой мощности, так что требуемая напряженность поля создавалась только на пересечении этих двух.

При чтении использовался другой процесс. В отличие от сердечника, твистор не имел линии срабатывания / запрета. Вместо этого он использовал больший ток в соленоиде, достаточно большой, чтобы перевернуть все биты в этом контуре, а затем использовал скручивающие провода в качестве линии чтения.

Таким образом, Twistor считывался и записывался по одной плоскости за раз, а не в ядре, где одновременно можно было использовать только один бит на плоскость.

Твистор с постоянным магнитом

Твистор можно было модифицировать для создания ПЗУ, которое можно было бы легко перепрограммировать. Для этого половина каждой петли соленоида была заменена алюминиевой картой, в которую были встроены крошечные стержневые магниты из викаллоя . Поскольку соленоиды должны быть замкнутыми цепями, чтобы через них протекал ток, они все еще были вставлены в виде сложенных листов, но в этом случае петля была вставлена между складками твистора, а не вокруг них. Это позволило одиночному листу действовать как половина петли соленоида для двух сгибов твистора, сверху и снизу. Для завершения петли карта магнитов помещалась с другой стороны твисторной ленты.

Чтения выполнялись путем подачи питания на соленоид до уровня, который примерно вдвое меньше необходимого для выполнения записи. Это поле магнитно «отражалось» алюминиевым листом, замыкая петлю. Результирующее поле было больше, чем сила записи, что привело к изменению состояния пермаллоя. Если бит находился рядом с немагниченным стержневым магнитом в карте, поле не было противодействующим, и переворот вызывал импульс тока в проводе твистора, считая "1". Однако, намагничивая стержень в этом бите, стержневой магнит противодействовал полю, создаваемому током соленоида, заставляя его быть ниже силы записи и предотвращая переворот. Здесь читается «0».

Твистор с постоянным магнитом (PMT) был перепрограммирован путем удаления пластин и размещения их над специальным пишущим устройством. Vicalloy был использован, потому что для повторного намагничивания требуется гораздо больше энергии, чем для пермаллойной ленты, так что система никогда не приблизится к повторной настройке постоянных магнитов при использовании в системе памяти. Система записи использовала гораздо большие токи, которые преодолевали это сопротивление.

В PMT, который использовался в системе 1ESS, использовались модули со 128 картами с 2818 магнитами (для 64 44-битных слов) на каждой. В результате получился модуль с 8192 словами (8 кибислов ). Полное хранилище использовало 16 модулей, в общей сложности 131 072 слова (128 кибислов), что эквивалентно 720 896 8-битным байтам (704 КиБ).

Контейнерный твистор

Другая форма твисторного ПЗУ заменила карты с постоянными магнитами второй магнитной лентой, намотанной вокруг первой на линиях твистора, в конфигурации «совмещенной». Эта лента была покрыта кобаллоем вместо пермаллоя, который намного «тверже» в магнитном отношении, требуя примерно вдвое большего поля для переворачивания. Чтобы сделать систему еще более жесткой, лента из кобаллоя была примерно в два с половиной раза толще, чем лента из пермаллоя, поэтому результирующая напряженность поля была в пять раз. Внешний ток, необходимый для изменения состояния ленты из кобаллоя, был примерно в 15 раз больше, чем нормальный рабочий ток.

Операции чтения в дополнительном контейнере идентичны версии с постоянным магнитом. Записи были немного более сложными из-за того, что все контрейлерные твисторы имели магнитную ленту по всей длине X-провода. Это означало, что любой из соленоидов наматывал и записываемый бит, и бит на участке обратного провода. Чтобы установить оба, а не другой, соленоид сначала запитывался в одном направлении, а затем в другом, в то время как ток в линии твистора оставался постоянным. Это создало поочередно два магнитных поля, одно выровненное с первым участком провода, а затем второе. Таким образом, все операции чтения и записи выполнялись для парных битов.

Приложения

Твистор использовался во многих приложениях. Большая часть финансирования разработки была предоставлена ВВС США , поскольку твистор должен был использоваться в качестве основной памяти в проекте LIM-49 Nike Zeus .

В Соединенных Штатах Bell System ( American Telephone & Telegraph ) также использовала твисторы с постоянными магнитами в качестве «хранилища программ» или основной памяти в своей первой системе электронной телефонной коммутации, 1ESS, а также в других электронных телефонных коммутаторах серии ESS. , и так было до коммутатора 4ESS, представленного в 1976 году и проданного в 1980-х годах.

Кроме того, твистор использовался в системе позиционирования службы трафика (TSPS), преемнике Bell для подключения телефонных коммутаторов, которые контролировали обработку вызовов и сбор монет для местных и международных вызовов.

По состоянию на октябрь 2008 года некоторые оставшиеся установки TSPS и ESS продолжают предоставлять телефонные услуги в сельских районах Соединенных Штатов, а также в Мексике и Колумбии, где многие системы США были проданы и повторно установлены после того, как они были выведены из эксплуатации в Соединенных Штатах.

Рекомендации

Цитаты

Библиография

Внешние ссылки

• Tisone, T .; Grupen, W .; Чин, Гилберт (1970). «Стрессоустойчивый пермаллой для запоминания». IEEE Transactions on Magnetics . 6 (3): 712–6. Bibcode : 1970ITM ..... 6..712T . DOI : 10,1109 / TMAG.1970.1066864 .
• Модули памяти - общее обсуждение компьютерных систем памяти, написанное в конце 1960-х годов, включая обсуждение твистора.
• Ростки, Г. (2008). «Пузыри: лучшая память» . Непонятые вехи . EETimes. Архивировано из оригинала на 2008-09-05.