Pamięć Twistora - Twistor memory

Pamięć Twistor to forma pamięci komputerowej utworzona przez owinięcie taśmy magnetycznej wokół przewodu przewodzącego prąd. Pod względem operacyjnym twistor był bardzo podobny do pamięci rdzeniowej . Twistor może być również używany do tworzenia pamięci ROM , w tym do przeprogramowania postaci znanej jako piggyback twistor . Obie formy można było wytwarzać przy użyciu zautomatyzowanych procesów, co miało doprowadzić do znacznie niższych kosztów produkcji niż systemy oparte na rdzeniu.

Wprowadzony przez Bell Labs w 1957 roku, po raz pierwszy zastosowano go komercyjnie w przełączniku 1ESS, który zaczął działać w 1965 roku. Twistor był używany tylko krótko pod koniec lat 60. i na początku lat 70., kiedy półprzewodnikowe urządzenia pamięci zastąpiły prawie wszystkie wcześniejsze systemy pamięci. Podstawowe idee stojące za twistorem również doprowadziły do ​​rozwoju pamięci bąbelkowej , chociaż ta miała podobnie krótką żywotność komercyjną.

Pamięć podstawowa

Budowa

Schemat płaszczyzny 4×4 pamięci rdzenia magnetycznego w układzie zbieżno-prądowym linii X/Y. X i Y to linie napędowe, S to sens, Z to blokada. Strzałki wskazują kierunek prądu do pisania.

W pamięci rdzenia małe magnesy w kształcie pierścienia - rdzenie - są nawleczone dwoma skrzyżowanymi drutami, X i Y , tworząc matrycę znaną jako płaszczyzna . Gdy jeden przewód X i jeden Y są zasilane, generowane jest pole magnetyczne pod kątem 45 stopni do przewodów. Magnesy rdzenia są umieszczone na przewodach pod kątem 45 stopni, więc pojedynczy rdzeń owinięty wokół punktu przecięcia zasilanych przewodów X i Y będzie pod wpływem indukowanego pola.

Materiały użyte na magnesy rdzenia zostały specjalnie dobrane, aby mieć bardzo „kwadratowy” wzór histerezy magnetycznej . Oznaczało to, że pola tuż poniżej pewnego progu nic nie zrobią, ale te tuż powyżej tego progu spowodują, że rdzeń zostanie dotknięty tym polem magnetycznym. Kwadratowy wzór i ostre stany odwracania zapewniają, że pojedynczy rdzeń może być zaadresowany w siatce; pobliskie rdzenie zobaczą nieco inne pole i nie zostaną naruszone.

Odzyskiwanie danych

Podstawową operacją w pamięci podstawowej jest pisanie. Osiąga się to poprzez zasilenie wybranego przewodu X i Y zarówno do obecnego poziomu, który sam z siebie wytworzy ½ krytycznego pola magnetycznego. Spowoduje to, że pole w punkcie przecięcia będzie większe niż punkt nasycenia rdzenia, a rdzeń przejmie pole zewnętrzne. Jedynki i zera są reprezentowane przez kierunek pola, który można ustawić po prostu zmieniając kierunek przepływu prądu w jednym z dwóch przewodów.

W pamięci rdzeniowej do zapisu lub odczytu bitu potrzebny jest trzeci przewód — linia wykrywania/wstrzymywania . Czytanie wykorzystuje proces pisania; linie X i Y są zasilane w ten sam sposób, w jaki zapisywałyby „0” na wybranym rdzeniu. Jeśli ten rdzeń miał w tym czasie „1”, krótki impuls elektryczny jest indukowany w linii wykrywania/hamowania. Jeśli nie widać pulsu, rdzeń miał „0”. Ten proces jest destrukcyjny; jeśli rdzeń zawierał „1”, wzorzec ten jest niszczony podczas odczytu i musi zostać zresetowany w kolejnej operacji.

Linia wykrywania/wstrzymywania jest wspólna dla wszystkich rdzeni na określonej płaszczyźnie, co oznacza, że ​​tylko jeden bit może być odczytany (lub zapisany) jednocześnie. Płaszczyzny rdzenia były zwykle układane w stos, aby przechowywać jeden bit słowa na płaszczyznę, a słowo można było odczytać lub zapisać w jednej operacji, pracując jednocześnie na wszystkich płaszczyznach.

Pomiędzy odczytami lub zapisami dane były przechowywane magnetycznie. Oznacza to, że rdzeń jest pamięcią nieulotną .

Produkcja

Rdzeń produkcyjny był poważnym problemem. Druty X i Y musiały być przewleczone przez rdzenie w splocie, a linia wykrywania/hamowania przechodziła przez każdy rdzeń w płaszczyźnie. Mimo znacznego wysiłku nikomu nie udało się zautomatyzować produkcji rdzenia, co do lat 70. było zadaniem ręcznym. Aby zwiększyć gęstość pamięci, należało użyć mniejszych rdzeni, co znacznie zwiększyło trudność ich podłączenia do linii. Chociaż gęstość rdzenia wzrosła wielokrotnie w okresie jego eksploatacji, koszt jednostkowy rdzenia pozostał stały.

Twistor

Wczesna iteracja Twistora składała się ze skręconego drutu ferromagnetycznego przewleczonego przez szereg koncentrycznych solenoidów (patrz załączone zdjęcie stanowiska testowego dla pojedynczego „bitu”). Dłuższy elektrozawór to cewka SENSE, krótszy cewka WRITE. Pojedynczy bit został zapisany przez pulsowanie cewki WRITE prądem + (1) lub - (0) wystarczającym do namagnesowania obszaru spiralnego pod cewką w jednym z dwóch kierunków. Na jednym końcu rozciągniętego przewodu znajdował się elektrozawór READ - impulsowo wysyłał przez przewód falę akustyczną. Gdy impuls akustyczny przechodził pod każdą cewką SENSE, indukował mały impuls elektryczny, albo + albo - w zależności od kierunku namagnesowania obszaru drutu. W ten sposób z każdym impulsem można było odczytać szeregowo "bajt".

Twistor był podobny w koncepcji do pamięci rdzenia, ale zastąpił okrągłe magnesy taśmą magnetyczną do przechowywania wzorów. Taśma została owinięta wokół jednego zestawu drutów, odpowiednika linii X, w taki sposób, że utworzyła spiralę 45 stopni . Przewody Y zostały zastąpione przez solenoidy owijające szereg przewodów skrętki. Wybór konkretnego bitu był taki sam jak w rdzeniu, przy czym jedna linia X i Y była zasilana, generując pole pod kątem 45 stopni. Taśma magnetyczna została specjalnie dobrana, aby umożliwić namagnesowanie tylko wzdłuż jej długości, więc tylko jeden punkt skręcarki miałby właściwy kierunek pola do namagnesowania.

Oryginalny system twistor wykorzystywał taśmę permalloy owiniętą wokół drutu miedzianego o długości 3 mil. Dla dowolnej długości drutu taśma była nawinięta tylko na pierwszą połowę. Drut miedziany został następnie wygięty w miejscu, w którym kończyła się taśma, i pobiegł z powrotem wzdłuż odcinka z taśmą, tworząc przewód powrotny. Oznaczało to, że wszystkie połączenia były na jednym końcu. Kilka takich linii skręcarek zostało ułożonych obok siebie, a następnie laminowanych w arkuszu z folii PET , przy czym skręcarki i ich przewody powrotne oddalone są od siebie o około 1/10 cala. Typowa taśma może mieć pięć drutów skrętnych i ich powroty, więc arkusz miał nieco ponad cal szerokości. Solenoid został skonstruowany w podobny sposób, składający się z kilku taśm miedzianych o szerokości 0,15 cala zlaminowanych w plastikową taśmę o tych samych podstawowych wymiarach co skręcarka. W przeciwieństwie do tradycyjnego solenoidu z wieloma zwojami drutu wokół otwartego rdzenia, ten system był w zasadzie niczym innym jak pojedynczymi przewodami w arkuszu plastiku.

Aby zbudować kompletny system pamięci, arkusz solenoidu został rozłożony płasko, powiedzmy wzdłuż kierunku X, a następnie arkusz twistora został ułożony na górze pod kątem prostym do niego wzdłuż osi Y. Następnie taśma solenoidu została zawinięta, tak że owinęła arkusz skręcarki, tworząc serię solenoidów w kształcie litery U. Teraz kolejna warstwa taśmy elektromagnetycznej jest nakładana na pierwszą, taśma skręcająca jest zagięta, więc teraz biegnie wzdłuż ujemnej osi Y przez górę nowej taśmy elektromagnetycznej, a następnie taśma elektromagnetyczna jest składana, aby utworzyć drugi zestaw pętle. Proces ten trwa aż do „zużycia” paska skrętki, tworząc zwartą kostkę pamięci. Wzdłuż jednej strony pamięci, połączonej z każdą pętlą solenoidu, znajdowała się seria małych rdzeni używanych wyłącznie do przełączania (ich pierwotny cel, rozwój jako pamięć przyszedł później).

Głównym powodem opracowania twistora przez firmę Bell jest to, że proces ten może być wysoce zautomatyzowany. Chociaż proces składania, który zakończył skręcarkę, mógł być wykonywany ręcznie, układanie i laminowanie arkuszy było łatwo obsługiwane przez maszynę. Udoskonalone wersje twistora owijały również sekcję gołej miedzi, początkowo używanej wyłącznie w ścieżce powrotnej, podwajając w ten sposób gęstość bez żadnych zmian w technikach produkcyjnych.

Operacja

Pisanie do twistora było praktycznie identyczne z rdzeniem; konkretny bit został wybrany przez zasilenie jednego z drutów skrętki i jednej z pętli solenoidu do połowy wymaganej mocy, tak aby wymagane natężenie pola było tworzone tylko na ich przecięciu.

Czytanie wykorzystywało inny proces. W przeciwieństwie do rdzenia, twistor nie miał linii wyczucia/hamowania. Zamiast tego użył większego prądu w solenoidzie, wystarczająco dużego, aby odwrócić wszystkie bity w tej pętli, a następnie użył skrętki jako linii odczytu.

Twistor był zatem odczytywany i zapisywany w jednej płaszczyźnie na raz, a nie w rdzeniu, gdzie można było używać tylko jednego bitu na płaszczyznę na raz.

Twistor z magnesem trwałym

Twistor można zmodyfikować tak, aby wytworzyć pamięć ROM, którą można łatwo przeprogramować. W tym celu połowę każdej pętli elektromagnesu zastąpiono aluminiową kartą, w której osadzone były maleńkie magnesy sztabkowe Vicalloy . Ponieważ solenoidy muszą być kompletnymi obwodami, aby mógł przez nie przepływać prąd, nadal były wkładane jako złożone arkusze, ale w tym przypadku pętla została umieszczona między fałdami twistora, a nie wokół nich. To pozwoliło pojedynczemu arkuszowi działać jako połowa pętli solenoidu dla dwóch zagięć skręcarki, powyżej i poniżej. Aby zakończyć pętlę, po drugiej stronie skręcanej taśmy umieszczono kartę magnesów.

Odczyty były wykonywane przez zasilenie solenoidu do poziomu około połowy wymaganego do wytworzenia zapisu. Pole to zostało „odbite” przez blachę aluminiową zamykającą pętlę magnetycznie. Wynikowe pole było większe niż siła zapisu, powodując odwrócenie stanu stałego. Jeśli bit znajdował się obok nienamagnesowanego magnesu sztabkowego na karcie, pole nie było przeciwstawne, a odwrócenie powodowało impuls prądu w drucie skręcarki, odczytujący „1”. Jednak magnesując sztabkę w tym bicie, magnes sztabkowy przeciwstawiał się polu wytwarzanemu przez prąd solenoidu, powodując, że siła zapisu była poniżej siły zapisu i zapobiegając przerzucaniu. To czytało „0”.

Twistor z magnesem trwałym (PMT) został przeprogramowany poprzez usunięcie płytek i umieszczenie ich na niestandardowej maszynie do pisania. Zastosowano Vicalloy, ponieważ wymagał znacznie więcej mocy do ponownego namagnesowania niż taśma permalloyowa, dzięki czemu system nigdy nie zbliżyłby się do ponownego ustawienia magnesów trwałych podczas używania w systemie pamięci. System piszący wykorzystywał znacznie większe prądy, które pokonywały ten opór.

PMT, który był używany w systemie 1ESS, wykorzystywał moduły ze 128 kartami z 2818 magnesami (dla 64 44-bitowych słów) na każdej. W ten sposób powstał moduł zawierający 8192 słów (8 kibiwords ). Cały sklep używał 16 modułów, łącznie 131 072 słów (128 kibisłów), co odpowiada 720 896 8-bitowych bajtów (704 KiB).

Twistor na barana

Inna forma ROM typu twistor zastąpiła karty z magnesami trwałymi drugą taśmą magnetyczną owiniętą wokół pierwszej na liniach twistora, w konfiguracji „piggyback”. Ta taśma została pokryta kobalojem zamiast permalloyu, który jest znacznie „twardszy” magnetycznie, wymaga około dwukrotnie większego pola, aby się obrócić. Aby system był jeszcze trudniejszy, taśma kobaltowa była około dwa i pół raza grubsza niż taśma permalloyowa, więc wynikowe natężenie pola było pięciokrotnie. Prąd zewnętrzny wymagany do zmiany stanu taśmy kobaltowej był około 15 razy większy od normalnego prądu roboczego.

Operacje odczytu w piggyback są identyczne jak w wersji z magnesem trwałym. Zapisy były nieco bardziej skomplikowane, ponieważ wszystkie skrętki typu „piggyback” miały taśmę magnetyczną na całej długości drutu X. Oznaczało to, że każdy solenoid owijał zarówno zapisywany bit, jak i ten na odcinku przewodu powrotnego. Aby ustawić jedno i drugie, solenoid był zasilany najpierw w jednym kierunku, a potem w drugim, podczas gdy prąd w linii skręcarki pozostawał stały. To z kolei wytworzyło dwa pola magnetyczne, jedno wyrównane z pierwszym odcinkiem drutu, a następnie drugie. Wszystkie odczyty i zapisy odbywały się w ten sposób na sparowanych bitach.

Aplikacje

Twistor był używany w wielu aplikacjach. Znaczna część finansowania rozwoju została zapewniona przez Siły Powietrzne Stanów Zjednoczonych , ponieważ twistor miał zostać wykorzystany jako główna pamięć w projekcie LIM-49 Nike Zeus .

W Stanach Zjednoczonych Bell System ( American Telephone & Telegraph ) również zastosował skręcarki z magnesami trwałymi jako „Program Store” lub pamięć główną w swoim pierwszym elektronicznym systemie telefonicznym 1ESS, a także innych w serii elektronicznych central telefonicznych ESS , i zrobił to aż do przełącznika 4ESS wprowadzonego w 1976 roku i sprzedawanego w latach 80-tych.

Dodatkowo twistor został wykorzystany w Traffic Service Position System (TSPS), następcy Bella do podłączania central telefonicznych, które sterowały obsługą połączeń i pobieraniem monet dla połączeń lokalnych i międzynarodowych.

Od października 2008 r. niektóre pozostałe instalacje TSPS i ESS nadal świadczą usługi telefoniczne na obszarach wiejskich Stanów Zjednoczonych, a także w Meksyku i Kolumbii, gdzie wiele systemów amerykańskich zostało sprzedanych i ponownie zainstalowanych po wycofaniu z eksploatacji w Stanach Zjednoczonych.

Bibliografia

Cytaty

Bibliografia

Linki zewnętrzne

• Tisone, T.; Grupen, W.; Podbródek, Gilbert (1970). „Niewrażliwe na stres permalloys dla aplikacji pamięci”. Transakcje IEEE dotyczące magnetyków . 6 (3): 712–6. Kod bib : 1970ITM......6..712T . doi : 10.1109/TMAG.1970.1066864 .
• Jednostki pamięci - ogólna dyskusja na temat systemów pamięci komputerowych napisanych pod koniec lat 60., zawierająca omówienie twistora.
• Rostky, G. (2008). „Bąbelki: lepsza pamięć” . Niezrozumiane kamienie milowe . EETimes. Zarchiwizowane od oryginału w dniu 2008-09-05.