Teknologi Memori Historis, Nonmekanis

Mungkin teknik yang paling cerdik adalah delay line . Garis tunda adalah segala jenis perangkat yang menunda perambatan sinyal pulsa atau gelombang. Jika Anda pernah mendengar suara bergema bolak-balik melalui ngarai atau gua, Anda pernah mengalami garis tunda audio:gelombang suara bergerak dengan kecepatan suara, memantul dari dinding dan membalikkan arah perjalanan.

Garis tunda "menyimpan" data pada basis yang sangat sementara jika sinyal tidak diperkuat secara berkala, tetapi fakta bahwa ia menyimpan data sama sekali adalah fenomena yang dapat dimanfaatkan untuk teknologi memori.

Garis penundaan komputer awal menggunakan tabung panjang yang diisi dengan cairan merkuri, yang digunakan sebagai media fisik yang dilalui gelombang suara sepanjang tabung. Transduser listrik/suara dipasang di setiap ujungnya, satu untuk menciptakan gelombang suara dari impuls listrik, dan yang lainnya untuk menghasilkan impuls listrik dari gelombang suara.

Aliran data biner serial dikirim ke transduser transmisi sebagai sinyal tegangan. Urutan gelombang suara akan berjalan dari kiri ke kanan melalui merkuri di dalam tabung dan diterima oleh transduser di ujung yang lain. Transduser penerima akan menerima pulsa dalam urutan yang sama seperti yang ditransmisikan:

Sirkuit umpan balik yang terhubung ke transduser penerima akan menggerakkan transduser pengirim lagi, mengirimkan urutan pulsa yang sama melalui tabung sebagai gelombang suara, menyimpan data selama sirkuit umpan balik terus berfungsi.

Garis tunda berfungsi seperti register geser first-in-first-out (FIFO), dan umpan balik eksternal mengubah perilaku register geser itu menjadi penghitung cincin, memutar bit tanpa batas.

Konsep garis tunda mengalami banyak keterbatasan dari bahan dan teknologi yang tersedia saat itu. Komputer EDVAC pada awal 1950-an menggunakan 128 tabung berisi merkuri, masing-masing sepanjang sekitar 5 kaki dan menyimpan maksimum 384 bit.

Perubahan suhu akan mempengaruhi kecepatan suara dalam air raksa, sehingga mencondongkan waktu tunda di setiap tabung dan menyebabkan masalah waktu. Desain selanjutnya menggantikan media merkuri cair dengan batang padat dari kaca, kuarsa, atau logam khusus yang menunda gelombang torsional (memutar) daripada gelombang longitudinal (memanjang), dan beroperasi pada frekuensi yang jauh lebih tinggi.

Salah satu saluran penundaan tersebut menggunakan kawat nikel-besi-titanium khusus (dipilih karena stabilitas suhu yang baik) dengan panjang sekitar 95 kaki, digulung untuk mengurangi ukuran paket secara keseluruhan. Total waktu tunda dari satu ujung kabel ke ujung lainnya sekitar 9,8 milidetik, dan frekuensi clock praktis tertinggi adalah 1 MHz.

Ini berarti bahwa sekitar 9800 bit data dapat disimpan dalam kabel saluran tunda pada waktu tertentu. Mengingat cara yang berbeda untuk menunda sinyal yang tidak akan begitu rentan terhadap variabel lingkungan (seperti pulsa serial cahaya dalam serat optik yang panjang), pendekatan ini suatu hari nanti mungkin akan diterapkan kembali.

Pendekatan lain yang dicoba oleh para insinyur komputer awal adalah penggunaan tabung sinar katoda (CRT), jenis yang biasa digunakan untuk osiloskop, radar, dan layar tampilan televisi, untuk menyimpan data biner. Biasanya, berkas elektron yang terfokus dan terarah dalam CRT akan digunakan untuk membuat bahan kimia fosfor di bagian dalam tabung bersinar, sehingga menghasilkan gambar yang dapat dilihat di layar.

Namun, dalam aplikasi ini, hasil yang diinginkan adalah terciptanya muatan listrik pada kaca layar oleh tumbukan berkas elektron, yang kemudian akan dideteksi oleh kisi logam yang ditempatkan langsung di depan CRT. Seperti garis tunda, yang disebut Williams Tube memori perlu diperbarui secara berkala dengan sirkuit eksternal untuk menyimpan datanya. Tidak seperti mekanisme garis tunda, itu hampir kebal terhadap faktor lingkungan suhu dan getaran.

Komputer model 701 IBM menggunakan memori Williams Tube dengan kapasitas 4 Kilobyte dan kebiasaan buruk "mengisi daya berlebih" bit pada layar tabung dengan penulisan ulang yang berurutan sehingga status "1" yang salah dapat meluap ke titik yang berdekatan di layar.

Kemajuan besar berikutnya dalam memori komputer datang ketika para insinyur beralih ke bahan magnetik sebagai sarana untuk menyimpan data biner. Ditemukan bahwa senyawa besi tertentu, yaitu "ferit", memiliki kurva histeresis yang hampir persegi:

Ditampilkan pada grafik dengan kekuatan medan magnet yang diterapkan pada sumbu horizontal (intensitas medan ), dan magnetisasi aktual (orientasi putaran elektron dalam bahan ferit) pada sumbu vertikal (kerapatan fluks ), ferit tidak akan menjadi magnet satu arah sampai medan yang diterapkan melebihi nilai ambang kritis. Setelah nilai kritis itu terlampaui, elektron dalam ferit "terjebak" ke dalam keselarasan magnetik dan ferit menjadi magnet.

Jika medan yang diterapkan kemudian dimatikan, ferit mempertahankan magnetisme penuh. Untuk memagnetisasi ferit ke arah lain (polaritas), medan magnet yang diterapkan harus melebihi nilai kritis dalam arah yang berlawanan. Setelah nilai kritis itu terlampaui, elektron-elektron dalam ferit "terjebak" ke dalam keselarasan magnetis dalam arah yang berlawanan. Sekali lagi, jika medan yang diterapkan kemudian dimatikan, ferit mempertahankan magnetisme penuh. Sederhananya, magnetisasi sepotong ferit adalah “bistabil”.

Memanfaatkan sifat aneh ferit ini, kita dapat menggunakan “gerbang” magnet alami ini untuk menyimpan bit data biner. Untuk menyetel atau menyetel ulang “latch” ini, kita dapat menggunakan arus listrik melalui kawat atau kumparan untuk menghasilkan medan magnet yang diperlukan, yang kemudian akan diterapkan ke ferit.

Jay Forrester dari MIT menerapkan prinsip ini dalam menciptakan memori "inti" magnetik, yang menjadi teknologi memori komputer yang dominan selama tahun 1970-an.

Sebuah kisi-kisi kabel, terisolasi secara elektrik satu sama lain, melintasi pusat banyak cincin ferit, yang masing-masing disebut "inti". Saat arus DC bergerak melalui kabel apa pun dari catu daya ke ground, medan magnet melingkar dihasilkan di sekitar kabel yang diberi energi itu.

Nilai resistor diatur sedemikian rupa sehingga jumlah arus pada tegangan catu daya yang diatur akan menghasilkan sedikit lebih dari 1/2 kekuatan medan magnet kritis yang diperlukan untuk memagnetisasi salah satu cincin ferit. Oleh karena itu, jika kawat kolom #4 diberi energi, semua inti pada kolom itu akan dikenai medan magnet dari satu kawat itu, tetapi tidak akan cukup kuat untuk mengubah magnetisasi salah satu inti tersebut.

Namun, jika kawat kolom #4 dan kawat baris #5 keduanya diberi energi, inti pada perpotongan kolom #4 dan baris #5 itu akan dikenai jumlah dari dua medan magnet tersebut:besarnya cukup kuat untuk "diatur" atau "mengatur ulang" magnetisasi inti itu. Dengan kata lain, setiap inti ditangani oleh perpotongan baris dan kolom. Perbedaan antara "set" dan "reset" adalah arah polaritas magnet inti, dan nilai bit data akan ditentukan oleh polaritas tegangan (terkait dengan ground) yang akan diberi energi oleh kabel baris dan kolom. .

Foto berikut menunjukkan papan memori inti dari merek Data General, komputer model "Nova", sekitar akhir 1960-an atau awal 1970-an. Itu memiliki total kapasitas penyimpanan 4 kbytes (itu kilo byte, bukan mega byte!). Pena bolpoin ditampilkan untuk perbandingan ukuran:

Komponen elektronik terlihat di sekitar pinggiran papan ini digunakan untuk "menggerakkan" kabel kolom dan baris dengan arus, dan juga untuk membaca status inti. Sebuah foto close-up mengungkapkan inti berbentuk cincin, di mana kabel matriks dijalin. Sekali lagi, bolpoin ditampilkan untuk perbandingan ukuran:

Papan memori inti dari desain selanjutnya (sekitar tahun 1971) ditunjukkan pada foto berikutnya. Core-nya jauh lebih kecil dan lebih padat, memberikan lebih banyak kapasitas penyimpanan memori daripada board sebelumnya (8 kbyte, bukan 4 kbyte):

Dan, close-up inti lainnya:

Menulis data ke memori inti cukup mudah, tetapi membaca data itu sedikit rumit. Untuk memfasilitasi fungsi penting ini, kabel "baca" dimasukkan ke semua inti dalam matriks memori, salah satu ujungnya diarde dan ujung lainnya terhubung ke rangkaian penguat.

Pulsa tegangan akan dihasilkan pada kabel "baca" ini jika inti yang dituju berubah menyatakan (dari 0 hingga 1, atau 1 hingga 0). Dengan kata lain, untuk membaca nilai inti, Anda harus menulis baik 1 atau 0 ke inti itu dan pantau tegangan yang diinduksi pada kabel baca untuk melihat apakah inti berubah. Jelas, jika keadaan inti diubah, Anda harus mengatur ulang kembali ke keadaan semula, atau data akan hilang.

Proses ini dikenal sebagai bacaan yang merusak , karena data dapat berubah (hancur) saat dibaca. Jadi, penyegaran diperlukan dengan memori inti, meskipun tidak dalam setiap kasus (yaitu, dalam kasus keadaan inti tidak berubah ketika 1 atau 0 ditulis padanya).

Salah satu keuntungan utama dari memori inti dibandingkan saluran tunda dan Tabung Williams adalah nonvolatilitas. Inti ferit mempertahankan magnetisasi mereka tanpa batas, tanpa daya atau penyegaran yang diperlukan. Itu juga relatif mudah dibangun, lebih padat, dan secara fisik lebih kokoh daripada pendahulunya.

Memori inti digunakan dari tahun 1960-an hingga akhir 1970-an di banyak sistem komputer, termasuk komputer yang digunakan untuk program luar angkasa Apollo, komputer kontrol peralatan mesin CNC, komputer bisnis (“mainframe”), dan sistem kontrol industri. Terlepas dari kenyataan bahwa memori inti sudah lama usang, istilah "inti" kadang-kadang masih digunakan dengan mengacu pada memori RAM komputer.

Sementara jalur tunda, Williams Tube, dan teknologi memori inti sedang ditemukan, RAM statis sederhana sedang ditingkatkan dengan teknologi komponen aktif yang lebih kecil (tabung vakum atau transistor). RAM statis tidak pernah sepenuhnya dikalahkan oleh para pesaingnya:bahkan komputer ENIAC lama tahun 1950-an menggunakan sirkuit penghitung cincin tabung vakum untuk register data dan komputasi. Namun, pada akhirnya, teknologi manufaktur chip IC berskala lebih kecil dan lebih kecil memberi transistor keunggulan praktis dibandingkan teknologi lain, dan memori inti menjadi bagian museum di tahun 1980-an.

Satu upaya terakhir pada memori magnetik yang lebih baik daripada inti adalah memori gelembung . Memori gelembung memanfaatkan fenomena aneh dalam mineral yang disebut garnet , yang, ketika diatur dalam film tipis dan terkena medan magnet konstan yang tegak lurus terhadap film, mendukung daerah kecil dari "gelembung" magnet berlawanan yang dapat didorong di sepanjang film dengan mendorong medan magnet eksternal lainnya.

"Trek" bisa diletakkan di garnet untuk memfokuskan pergerakan gelembung dengan menyimpan bahan magnetik di permukaan film. Sebuah trek kontinu dibentuk pada garnet yang memberikan gelembung loop panjang di mana untuk perjalanan, dan gaya gerak diterapkan pada gelembung dengan sepasang gulungan kawat melilit garnet dan diberi energi dengan tegangan 2 fase. Gelembung dapat dibuat atau dihancurkan dengan gulungan kawat kecil yang ditempatkan secara strategis di jalur gelembung.

Kehadiran gelembung mewakili biner "1" dan tidak adanya gelembung mewakili biner "0." Data dapat dibaca dan ditulis dalam rantai gelembung magnetik yang bergerak ini saat melewati gulungan kawat kecil, sama seperti "kepala" baca/tulis di pemutar kaset, membaca magnetisasi pita saat bergerak.

Seperti memori inti, memori gelembung tidak mudah menguap:magnet permanen memasok bidang latar belakang yang diperlukan untuk mendukung gelembung saat daya dimatikan. Tidak seperti memori inti, bagaimanapun, memori gelembung memiliki kepadatan penyimpanan yang fenomenal:jutaan bit dapat disimpan pada chip garnet yang hanya berukuran beberapa inci persegi. Apa yang membunuh memori gelembung sebagai alternatif yang layak untuk RAM statis dan dinamis adalah akses datanya yang lambat dan berurutan.

Menjadi tidak lebih dari register geser serial yang sangat panjang (penghitung dering), akses ke bagian data tertentu dalam string serial bisa sangat lambat dibandingkan dengan teknologi memori lainnya.

Setara elektrostatik dari memori gelembung adalah Perangkat yang Diisi Daya (CCD) memory, sebuah adaptasi dari perangkat CCD yang digunakan dalam fotografi digital. Seperti memori gelembung, bit-bit digeser secara berurutan di sepanjang saluran pada bahan substrat oleh pulsa jam. Tidak seperti memori gelembung, muatan elektrostatik meluruh dan harus disegarkan.

Oleh karena itu, memori CCD bersifat fluktuatif, dengan kepadatan penyimpanan yang tinggi dan akses sekuensial. Menarik, bukan? Memori lama Williams Tube diadaptasi dari melihat CRT teknologi, dan memori CCD dari teknologi perekaman video .