Память с задержкой — это форма компьютерной памяти , в основном устаревшая, которая использовалась на некоторых из самых ранних цифровых компьютеров и вновь появляется в виде оптических линий задержки. Как и многие современные формы электронной компьютерной памяти, память с задержкой была обновляемой памятью , но в отличие от современной памяти с произвольным доступом , память с задержкой была с последовательным доступом .
Технология аналоговых линий задержки использовалась с 1920-х годов для задержки распространения аналоговых сигналов. Когда линия задержки используется в качестве запоминающего устройства, усилитель и формирователь импульсов подключаются между выходом линии задержки и входом. Эти устройства рециркулируют сигналы с выхода обратно на вход, создавая петлю, которая поддерживает сигнал до тех пор, пока подается питание. Формирователь обеспечивает правильность формирования импульсов, устраняя любые ухудшения из-за потерь в среде.
Емкость памяти равна времени передачи одного бита, деленному на время рециркуляции. Ранние системы памяти с линией задержки имели емкость в несколько тысяч бит (хотя термин «бит» в то время не был популярен), а время рециркуляции измерялось в микросекундах . Чтобы прочитать или записать определенный адрес памяти , необходимо дождаться, пока сигнал, представляющий его значение, пройдет через линию задержки в электронику. Таким образом, задержка чтения или записи любого конкретного адреса зависит от времени и адреса, но не больше, чем время рециркуляции.
Использование линии задержки для компьютерной памяти было изобретено Дж. Преспером Экертом в середине 1940-х годов для использования в таких компьютерах, как EDVAC и UNIVAC I. Экерт и Джон Мочли подали заявку на патент на систему памяти с линией задержки 31 октября 1947 года; патент был выдан в 1953 году. [1] В этом патенте основное внимание уделялось ртутным линиям задержки, но в нем также обсуждались линии задержки, сделанные из цепочек индукторов и конденсаторов , магнитострикционные линии задержки и линии задержки, построенные с использованием вращающихся дисков для передачи данных на считывающую головку в одной точке окружности с записывающей головки в другом месте по окружности.
Основная концепция линии задержки возникла в ходе исследований радаров во время Второй мировой войны как системы, уменьшающей помехи от отражений от земли и других неподвижных объектов.
Радарная система в основном состоит из антенны, передатчика, приемника и дисплея . Антенна подключена к передатчику, который посылает короткий импульс радиоэнергии, прежде чем снова отключается. Затем антенна подключена к приемнику, который усиливает любые отраженные сигналы и отправляет их на дисплей. Объекты, находящиеся дальше от радара, возвращают эхо позже, чем те, которые находятся ближе к радару, что на дисплее отображается визуально как «отметка», которую можно измерить по шкале, чтобы определить дальность.
Неподвижные объекты на фиксированном расстоянии от антенны всегда возвращают сигнал с той же задержкой. Это будет выглядеть как фиксированное пятно на дисплее, что затрудняет обнаружение других целей в этом районе. Ранние радары просто направляли свои лучи в сторону от земли, чтобы избежать большей части этого «мусора». Это была не идеальная ситуация; она требовала тщательного прицеливания, что было сложно для небольших мобильных радаров, и не удаляла другие источники отражений, похожих на помехи, от таких особенностей, как выступающие холмы, и в худшем случае позволяла низколетящим вражеским самолетам буквально пролетать «под радаром».
Чтобы отфильтровать статические объекты, сравнивались два импульса, и возвращались с одинаковым временем задержки. Для этого сигнал, отправленный с приемника на дисплей, разделялся на два, один путь вел прямо на дисплей, а второй - на блок задержки. Задержка была тщательно настроена так, чтобы быть кратной времени между импульсами или « частоте повторения импульсов ». Это приводило к тому, что задержанный сигнал от более раннего импульса выходил из блока задержки в то же время, когда сигнал от более нового импульса принимался с антенны. Один из сигналов электрически инвертировался, как правило, сигнал от задержки, а затем два сигнала объединялись и отправлялись на дисплей. Любой сигнал, который находился в том же месте, аннулировался инвертированным сигналом от предыдущего импульса, оставляя на дисплее только движущиеся объекты.
Для этой цели было изобретено несколько различных типов систем задержки, при этом общим принципом было то, что информация хранилась акустически в среде. Массачусетский технологический институт экспериментировал с рядом систем, включая стекло, кварц, сталь и свинец. Японцы применили систему, состоящую из кварцевого элемента с порошковым стеклянным покрытием, которое уменьшало поверхностные волны , мешающие надлежащему приему. Военно-морская исследовательская лаборатория США использовала стальные стержни, свернутые в спираль, но это было полезно только для низких частот ниже 1 МГц. Raytheon использовала магниевый сплав, изначально разработанный для изготовления колоколов. [2]
Первая практическая система устранения помех, основанная на этой концепции, была разработана Дж. Преспером Экертом в Школе электротехники Мура Пенсильванского университета . Его решение использовало столб ртути с пьезокристаллическими преобразователями (комбинация динамика и микрофона) на обоих концах. Сигналы от усилителя радара отправлялись на преобразователь на одном конце трубки, который генерировал небольшую волну в ртути. Волна быстро перемещалась к дальнему концу трубки, где она считывалась другим преобразователем, инвертировалась и отправлялась на дисплей. Требовалась тщательная механическая компоновка, чтобы гарантировать, что время задержки соответствовало межимпульсному времени используемого радара.
Все эти системы подходили для преобразования в компьютерную память. Ключевым моментом было восстановление и повторное использование сигналов, чтобы они не исчезали после прохождения задержки. Это было относительно легко организовать с помощью простой электроники.
После войны Эккерт обратил свое внимание на разработку компьютеров, которая в то время была темой, вызывающей определенный интерес. Одной из проблем практической разработки было отсутствие подходящего запоминающего устройства, и работа Эккерта над задержками радаров дала ему в этом отношении большое преимущество перед другими исследователями.
Для компьютерного приложения синхронизация все еще была критически важна, но по другой причине. Обычные компьютеры имеют тактовый период, необходимый для завершения операции, которая обычно начинается и заканчивается чтением или записью памяти. Таким образом, линии задержки должны были быть синхронизированы таким образом, чтобы импульсы прибывали на приемник как раз тогда, когда компьютер был готов их прочитать. Многие импульсы проходили бы через задержку, и компьютер подсчитывал бы импульсы, сравнивая их с главным тактовым генератором , чтобы найти нужный ему бит.
Ртуть использовалась, поскольку ее акустическое сопротивление близко к акустическому сопротивлению пьезоэлектрических кварцевых кристаллов ; это минимизировало потери энергии и эхо при передаче сигнала от кристалла к среде и обратно. Высокая скорость звука в ртути (1450 м/с) означала, что время, необходимое для ожидания импульса, чтобы достичь принимающего конца, было меньше, чем это было бы с более медленной средой, такой как воздух (343,2 м/с), но это также означало, что общее количество импульсов, которые могли быть сохранены в любом разумно большом столбе ртути, было ограничено. Другие технические недостатки ртути включали ее вес, ее стоимость и ее токсичность. Более того, чтобы акустические сопротивления соответствовали как можно точнее, ртуть приходилось поддерживать при постоянной температуре. Система нагревала ртуть до однородной температуры выше комнатной в 40 °C (104 °F), что делало обслуживание трубок жаркой и неудобной работой. ( Алан Тьюринг предложил использовать джин в качестве среды задержки ультразвука, утверждая, что он обладает необходимыми акустическими свойствами. [3] )
Для поддержания чистого сигнала внутри трубки требовалось значительное количество инженерных работ. Большие преобразователи использовались для создания очень плотного звукового луча, который не касался бы стенок трубки, и нужно было позаботиться об устранении отражений от дальнего конца трубок. Плотность луча затем требовала значительной настройки, чтобы убедиться, что оба преобразователя были направлены прямо друг на друга. Поскольку скорость звука меняется с температурой, трубки нагревали в больших печах, чтобы поддерживать их при точной температуре. Другие системы [ указать ] вместо этого корректировали тактовую частоту компьютера в соответствии с температурой окружающей среды для достижения того же эффекта.
EDSAC , второй полномасштабный цифровой компьютер с хранимой программой , начал работу с 256 35- битными словами памяти, хранящимися в 16 линиях задержки, содержащих 560 бит каждая (слова в линии задержки состояли из 36 импульсов, один импульс использовался как пробел между последовательными числами). [4] Позже память была расширена до 512 слов путем добавления второго набора из 16 линий задержки. В UNIVAC I емкость отдельной линии задержки была меньше, каждый столбец хранил 120 бит, требуя семи больших блоков памяти с 18 столбцами каждый, чтобы составить хранилище на 1000 слов. В сочетании с их вспомогательными схемами и усилителями подсистема памяти образовывала свою собственную комнату для прохода . Среднее время доступа составляло около 222 микросекунд , что было значительно быстрее, чем у механических систем, используемых в более ранних компьютерах.
CSIRAC , завершенный в ноябре 1949 года, также использовал память с линией задержки.
Некоторые устройства памяти с ртутной линией задержки производили слышимые звуки, которые описывались как похожие на бормотание человеческого голоса. Это свойство породило сленговое название этих устройств «mumble-tub».
Более поздняя версия линии задержки использовала стальные провода в качестве носителя информации. Преобразователи были построены с применением магнитострикционного эффекта ; небольшие кусочки магнитострикционного материала, обычно никеля , были прикреплены к обеим сторонам конца провода внутри электромагнита . Когда биты из компьютера попадали в магниты, никель сжимался или расширялся (в зависимости от полярности) и скручивал конец провода. Результирующая крутильная волна затем перемещалась по проводу так же, как звуковая волна перемещалась по ртутному столбу.
В отличие от компрессионной волны, используемой в более ранних устройствах, крутильные волны значительно более устойчивы к проблемам, вызванным механическими дефектами, настолько, что провода можно было смотать в свободную катушку и прикрепить к плате. Благодаря своей способности сворачиваться, системы на основе проводов могли быть сколь угодно длинными, поэтому, как правило, хранили значительно больше данных на единицу; единицы в 1 кбит были типичны на плате размером всего 1 квадратный фут ( ~30 см × 30 см ). Конечно, это также означало, что время, необходимое для поиска определенного бита, было несколько больше, поскольку он проходил по проводу, и типичным было время доступа порядка 500 микросекунд.
Память с задержкой была намного дешевле и намного надежнее на бит, чем триггеры, сделанные из трубок , и все же намного быстрее, чем реле с защелкой . Она использовалась до конца 1960-х годов, особенно на коммерческих машинах, таких как LEO I , Highgate Wood Telephone Exchange , различных машинах Ferranti и IBM 2848 Display Control . Память с задержкой также использовалась для видеопамяти в ранних терминалах, где одна линия задержки обычно хранила 4 строки символов (4 строки × 40 символов на строку × 6 бит на символ = 960 бит в одной линии задержки). Они также весьма успешно применялись в нескольких моделях ранних настольных электронных калькуляторов , включая Friden EC-130 (1964) и EC-132, настольный программируемый калькулятор Olivetti Programma 101 , представленный в 1965 году, и программируемые калькуляторы Litton Monroe Epic 2000 и 3000 1967 года.
Аналогичное решение магнитострикционной системы состояло в использовании линий задержки, полностью изготовленных из пьезоэлектрического материала, как правило, кварца. Ток, подаваемый на один конец кристалла, генерировал бы волну сжатия, которая текла бы на другой конец, где ее можно было бы считать. По сути, пьезоэлектрический материал просто заменял ртуть и преобразователи обычной ртутной линии задержки одним блоком, объединяющим оба. Однако эти решения были довольно редки; выращивание кристаллов требуемого качества в больших размерах было нелегким, что ограничивало их малыми размерами и, следовательно, небольшими объемами хранения данных. [5]
Более эффективное и широкое применение пьезоэлектрических линий задержки было в европейских телевизорах. Европейский стандарт PAL для цветного вещания сравнивает сигнал с двух последовательных строк изображения, чтобы избежать смещения цвета из-за небольших фазовых сдвигов. Сравнивая две строки, одна из которых инвертирована, сдвиг усредняется, и результирующий сигнал более точно соответствует исходному сигналу, даже при наличии помех. Для того чтобы сравнить две строки, в один из двух сравниваемых путей сигнала вставляется пьезоэлектрический блок задержки для задержки сигнала на время, равное длительности каждой строки, 64 мкс. [6] Для того чтобы создать требуемую задержку в кристалле удобного размера, блок задержки формируется так, чтобы многократно отражать сигнал через кристалл, тем самым значительно уменьшая требуемый размер кристалла и, таким образом, создавая небольшое устройство прямоугольной формы.
Электрические линии задержки используются для более коротких времен задержки (от наносекунд до нескольких микросекунд). Они состоят из длинной электрической линии или изготавливаются из дискретных индукторов и конденсаторов, расположенных в цепочке. Чтобы сократить общую длину линии, ее можно намотать вокруг металлической трубки, получив немного больше емкости относительно земли, а также больше индуктивности из-за витков провода, которые лежат близко друг к другу.
Другие примеры:
Другой способ создания времени задержки — реализовать линию задержки в запоминающем устройстве на интегральной схеме . Это можно сделать цифровым способом или с помощью дискретного аналогового метода. Аналоговый метод использует устройства переноса заряда ( устройства типа «bucket-brigade» или устройства с зарядовой связью ), которые переносят сохраненный электрический заряд поэтапно с одного конца на другой. [7] Как цифровые, так и аналоговые методы имеют ограниченную полосу пропускания на верхнем конце до половины тактовой частоты, которая определяет шаги транспортировки.
В современных компьютерах, работающих на гигагерцовых скоростях, миллиметровые различия в длине проводников в параллельной шине данных могут вызвать перекос битов данных, что может привести к повреждению данных или снижению производительности обработки. Это устраняется путем создания всех проводниковых путей одинаковой длины, задерживая время прибытия для того, что в противном случае было бы более коротким расстоянием перемещения, с помощью зигзагообразных дорожек.
В области оптических вычислений оптическая линия задержки может использоваться аналогично тому, как использовались акустические или электрические линии задержки. [8]