从“逻辑”到“存储”要走多远?

四儿的姐姐叫蛋蛋 中科院半导体所 今天

引人入胜


计算机通过二进制的方式进行计算。从最早的继电器控制的方式到通过电子触发计数。(具体可以看这两篇文章“青蛙”的基本门逻辑,你了解多少?“逻辑”会过时吗?》)


现在我们对早期的逻辑器件,包括继电器真空管有了一些了解,那么人们是怎样进行数据存储的?


早期的电子计算机使用过两种存储器:记忆屏幕阴极射线管,或者叫威廉斯管,以及超声波延迟线。


那什么是威廉斯管呢?以及超声波延迟线是怎么存储数据的呢?


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威廉斯管与磁芯存储器

阴极射线管屏幕玻璃和发光材料中的磷原子,具有大于1的二次电子发射率。这就是说,每当一个高速电子打到屏幕上,从被轰击点平均飞出的电子数目多于一个。因此,该点由于缺少电子而带有正电荷。相反,在该点附近的区域则由于接收到低速二次电子,反而变得带负电荷。这样,用一束断续的电子束扫过屏幕,就可以把1(断)和0(续)写到屏幕上。

阴极射线管

card from wiki


为了读出信息,在屏幕的另一面设置电极。当读信号的电子束扫过屏幕时,靠电容效应从电极中取出信号,同时利用这一信号实现电子束的断续,以便记录在屏幕上的信息不被“读”操作破坏。这种“读出”带“重写”的办法,后来在磁芯存储器中也沿用下去。

磁芯存储

磁芯存储器是一种利用磁性材料制成之存储器,其原理为:将磁环(磁芯)带磁性或不带磁性之状态,用以代表1或0之比特,一长串1或0之组合就代表要存储之信息。


磁芯存储器电路板

card from wiki


磁芯存储器是一种随机存取存储器,在计算机中可担任主存的角色。比起真空管而言,磁芯存储器省电、也没有真空管的寿命问题。当计算机进入半导体时代后,仍然有一段相当的时间,磁芯存储器持续担任主存的角色。又由于磁芯存储器是非易失性存储器,它的一个特色是:即使死机或电源中断,只要没有发生错误的写入信号,则仍然可保有其内容。


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最笨重的存储器——超声波延迟线存储器


水银延迟线存储器使用的水银管称之为汞槽,是一根直径10mm、长150cm的管子,内部有很多充满水银的管道,使每个汞槽重量超过一吨!


card from http://acer.it168.com/thread-1933809-1-1.html


最初的延迟线由压电晶体换能器和水银槽构成,后来改用镇线圈和磁致伸缩换能。为了写入和读出信息,只要用适当同步了的信号去改变或感知调制脉冲。当然还要有其他的辅助电路来保持脉冲形状等。当年用作主存储器设备,还曾使用32个水银槽。每个槽长1米左右,可以实现约1/1000秒的延迟。


工作原理

超声波延迟线存储器的工作原理,基于艾克特对雷达用延迟线的一个巧妙观察。由于超声波在物体中的传播速度比电讯号慢得多,为了实现电讯号的延迟,就把它经过压电晶体换能器转变成超声波,在声介质中传播一定时间后,再经过第二个换能器变回电讯号。如果把一个脉冲调制到载波上,让它通过延迟线后又立即接回到延迟线入口端,那么这个脉冲就周而复始地保存在延迟线中。如果延迟的时间足够长,就可以把一大串脉冲保存在同一个延迟线回路中,用脉冲的有和无来表示1和0。

到1954年前后,这两种存储设备都被磁芯存储器所淘汰。磁芯存储器统治了计算机技术1/4个世纪之久,到20世纪80年代才日益被半导体存储所取代。而现代大规模集成电路的动态随机存储器,又在一定意义上再现了当年延迟线存储的“动态”思想。也许具体技术有时代的局限性,但解决问题的思想却会一直指导我们。

参考资料:

物理学

计算机学史

百度百科

维基百科

腾讯视频

https://michaelbach.de/ot/lum-white/index.html

https://twitter.com/AkiyoshiKitaoka

https://www.reddit.com/r/pics/comments/px2j3/made_a_gif_of_the_munkerwhite_illusion_for_class/

https://twitter.com/NovickProf/status/1139342022551191553

https://www.youtube.com/watch?v=nTOTmED9EzU                                                                 

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