ذاكرة ذات نواة مغناطيسية

كان المفهوم الأساسي لاستخدام حلقة التخلف المغناطيسي المربعة لبعض المواد المغناطيسية كجهاز تخزين أو تبديل معروفًا منذ بدايات تطوير الحواسيب. وقد تطورت هذه المعرفة بفضل فهم المحولات ، التي أتاحت تضخيم الإشارة وأداءً مشابهًا للتبديل عند تصنيعها باستخدام مواد معينة. وكان سلوك التبديل المستقر معروفًا جيدًا في مجال الهندسة الكهربائية ، وكان تطبيقه في أنظمة الحاسوب فوريًا. فعلى سبيل المثال، قام كل من ج. بريسبر إيكرت وجيفري تشوان تشو ببعض أعمال التطوير على هذا المفهوم في عام 1945 في مدرسة مور خلال جهود مشروع إينياك . ^{[ 2 ]}

قدّم رائد الروبوتات جورج ديفول براءة اختراع ^{[ 3 ]} لأول ذاكرة مغناطيسية ثابتة (غير متحركة) في 3 أبريل 1946. وتم تطوير ذاكرة ديفول المغناطيسية لاحقًا من خلال 5 براءات اختراع إضافية ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} ، واستُخدمت في نهاية المطاف في أول روبوت صناعي . وقدّم فريدريك فيهي طلبات للحصول على براءات اختراع مختلفة حول استخدام المحولات لبناء دوائر منطقية رقمية بدلاً من منطق المرحلات بدءًا من عام 1947. وحصل نظام أساسي متطور بالكامل على براءة اختراع في عام 1947، واشترته شركة IBM لاحقًا في عام 1956. ^{[ 9 ]} ومع ذلك، لم يكن هذا التطور معروفًا على نطاق واسع، وعادةً ما يرتبط التطوير الرئيسي للذاكرة الأساسية بثلاثة فرق مستقلة.

قام الفيزيائيان الأمريكيان آن وانغ وواي دونغ وو ، المولودان في شنغهاي ، بعملٍ كبير في هذا المجال ، حيث ابتكرا جهاز التحكم بنقل النبضات عام 1949. ^{[ 10 ]} وصفت براءة الاختراع نوعًا من الذاكرة يُعرف اليوم بنظام خط التأخير أو مسجل الإزاحة . يتم تخزين كل بت باستخدام زوج من المحولات، أحدهما يحمل القيمة والآخر يُستخدم للتحكم. يُنتج مولد الإشارة سلسلة من النبضات التي تُرسل إلى محولات التحكم بنصف الطاقة اللازمة لعكس القطبية. يتم ضبط توقيت النبضات بحيث لا يتلاشى المجال في المحولات قبل وصول النبضة التالية. إذا تطابق مجال محول التخزين مع المجال الناتج عن النبضة، فإن الطاقة الكلية ستؤدي إلى حقن نبضة في زوج المحولات التالي. أما النبضات التي لا تحتوي على قيمة فتتلاشى ببساطة. وهكذا، تنتقل القيم المخزنة بتًا بتًا مع كل نبضة. كانت القيم تُقرأ في النهاية، ثم تُعاد إلى بداية السلسلة لضمان استمرار دورانها في النظام. ^{[ 11 ]} لكن يعيب هذه الأنظمة عدم إمكانية الوصول العشوائي، إذ يتطلب قراءة أي قيمة معينة انتظار مرورها عبر السلسلة. كان وانغ ووو يعملان آنذاك في مختبر الحوسبة بجامعة هارفارد ، ولم تكن الجامعة مهتمة بدعم الاختراعات التي تُبتكر في مختبراتها. تمكن وانغ من تسجيل براءة اختراع النظام بمفرده.

تطلّب حاسوب مشروع ويرلويند التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا نظام ذاكرة سريعًا لتتبّع الطائرات في الوقت الفعلي . في البداية، استُخدمت مصفوفة من أنابيب ويليامز - وهو نظام تخزين يعتمد على أنابيب أشعة الكاثود - لكن تبيّن أنه غير مستقر وغير موثوق. في أواخر الأربعينيات، تصوّر العديد من الباحثين فكرة استخدام النوى المغناطيسية لذاكرة الحاسوب، لكن مهندس الحاسوب في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، جاي فورستر، حصل على براءة الاختراع الرئيسية لاختراعه ذاكرة النواة ذات التيار المتزامن التي مكّنت من تخزين المعلومات ثلاثية الأبعاد. ^{[ 12 ] [ 13 ]} وقد أشار ويليام بابيان، من مشروع ويرلويند، إلى أحد هذه الجهود، وهو "خط التأخير المغناطيسي الثابت" التابع لجامعة هارفارد، في مذكرة داخلية. تم تركيب أول ذاكرة أساسية بحجم 32 × 32 × 16 بت على جهاز Whirlwind في صيف عام 1953. وذكر بابيان: "تتمتع ذاكرة التخزين ذات النواة المغناطيسية بميزتين رئيسيتين: (1) موثوقية أكبر مع ما يترتب على ذلك من تقليل وقت الصيانة المخصص للتخزين؛ (2) وقت وصول أقصر (وقت الوصول إلى النواة هو 9 ميكروثانية: وقت الوصول إلى الأنبوب حوالي 25 ميكروثانية)، مما يزيد من سرعة تشغيل الكمبيوتر." ^{[ 14 ]}

في أبريل 2011، استذكر فورستر قائلاً: "لم يكن لاستخدام وانغ للمعالجات أي تأثير على تطويري لذاكرة الوصول العشوائي. كانت ذاكرة وانغ باهظة الثمن ومعقدة. على حدّ علمي، والذي قد لا يكون دقيقًا تمامًا، فقد استخدمت نواتين لكل بت ثنائي، وكانت في الأساس خط تأخير يُحرّك بتًا للأمام. وبقدر ما ركّزتُ عليها، لم يكن هذا النهج مناسبًا لأغراضنا." يصف فورستر الاختراع والأحداث المرتبطة به في عام 1975. ^{[ 15 ]} وقد لاحظ فورستر لاحقًا: "استغرقنا حوالي سبع سنوات لإقناع الصناعة بأن ذاكرة الوصول العشوائي ذات النواة المغناطيسية هي الحل لسد ثغرة في تكنولوجيا الحاسوب. ثم أمضينا السنوات السبع التالية في محاكم براءات الاختراع لإقناعهم بأنهم لم يفكروا جميعًا في هذا الأمر أولًا." ^{[ 16 ]}

كان جان أ. رايخمان ، من شركة آر سي إيه ، مطورًا ثالثًا شارك في المراحل الأولى لتطوير الذاكرة الأساسية. وقد صمم رايخمان، وهو مخترع غزير الإنتاج، نظامًا أساسيًا فريدًا باستخدام شرائط من الفريت ملفوفة حول أنابيب معدنية رقيقة، ^{[ 17 ]} وبنى نماذجه الأولى باستخدام مكبس أسبرين مُعدّل في عام 1949. ^{[ 9 ]} وطوّر رايخمان لاحقًا نسخًا من أنبوب ويليامز، وقاد تطوير جهاز سيليكترون . ^{[ 18 ]}

أدى اختراعان رئيسيان إلى تطوير ذاكرة النواة المغناطيسية عام 1951. الأول، الذي طوره آن وانغ، هو دورة الكتابة بعد القراءة، والتي حلت مشكلة استخدام وسيط تخزين يؤدي فيه مسح البيانات المقروءة إلى محو البيانات، مما مكّن من بناء مسجل إزاحة تسلسلي أحادي البعد (بسعة 50 بت)، باستخدام نواتين لتخزين بت واحد. يوجد مسجل إزاحة نواة وانغ في معرض الثورة بمتحف تاريخ الحاسوب . أما الثاني، الذي ابتكره فورستر، فهو نظام التيار المتزامن، الذي مكّن عددًا قليلًا من الأسلاك من التحكم في عدد كبير من النوى، مما أتاح إنشاء مصفوفات ذاكرة ثلاثية الأبعاد بملايين البتات. كان أول استخدام للنواة المغناطيسية في حاسوب ويرل ويند، ^{[ 19 ]} وكانت "أبرز إسهامات مشروع ويرل ويند هي ميزة الوصول العشوائي إلى ذاكرة النواة المغناطيسية". ^{[ 20 ]} وسرعان ما تبع ذلك تسويقها تجاريًا. استُخدمت الذاكرة ذات النواة المغناطيسية في ملحقات جهاز إينياك عام 1953، ^{[ 21 ]} وجهاز آي بي إم 702 ^{[ 22 ]} الذي تم تسليمه في يوليو 1955، ولاحقًا في جهاز 702 نفسه. كما استخدم جهاز آي بي إم 704 (1954) وجهاز فيرانتي ميركوري (1957) ذاكرة ذات نواة مغناطيسية.

في أوائل الخمسينيات من القرن الماضي، طورت شركة Seeburg Corporation أحد التطبيقات التجارية الأولى لتخزين الذاكرة الأساسية المتزامنة في ذاكرة "Tormat" الخاصة بمجموعتها الجديدة من أجهزة تشغيل الموسيقى ، بدءًا من V200 الذي تم تطويره في عام 1953 وتم إصداره في عام 1955. ^{[ 23 ]} تبع ذلك العديد من الاستخدامات في الحوسبة والهاتف والتحكم في العمليات الصناعية .

لم يُمنح وانغ براءة اختراعه حتى عام 1955، وبحلول ذلك الوقت، كانت ذاكرة النواة المغناطيسية قيد الاستخدام بالفعل. أدى ذلك إلى سلسلة طويلة من الدعاوى القضائية، والتي انتهت في النهاية عندما اشترت شركة IBM براءة الاختراع بالكامل من وانغ مقابل 500 ألف دولار أمريكي . ^{[ 24 ]} استخدم وانغ الأموال لتوسيع مختبرات وانغ بشكل كبير ، والتي شارك في تأسيسها مع الدكتور جي ياو تشو، وهو زميل دراسة من الصين.

أراد معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) فرض رسوم على شركة IBM بقيمة 0.02 دولار أمريكي لكل بت من ذاكرة النواة. وفي عام 1964، وبعد سنوات من النزاعات القانونية، دفعت IBM لمعهد MIT مبلغ 13 مليون دولار أمريكي مقابل حقوق براءة اختراع فورستر، وهو أكبر تسوية براءات اختراع حتى ذلك التاريخ. ^{[ 25 ] [ 26 ]}

في عام 1953، بلغ سعر النواة المختبرة، التي لم تُركّب بعد، 0.33 دولار أمريكي للنواة الواحدة. ومع ازدياد حجم الإنتاج، بحلول عام 1970، كانت شركة IBM تُنتج 20 مليار نواة سنويًا، وانخفض سعر النواة الواحدة إلى 0.0003 دولار أمريكي . وتقلصت أحجام النوى خلال الفترة نفسها من حوالي 2.5 ملم (0.1 بوصة) في خمسينيات القرن الماضي إلى 0.33 ملم (0.013 بوصة) في عام 1966. ^{[ 27 ]} وتتناسب الطاقة اللازمة لعكس مغنطة نواة واحدة طرديًا مع حجمها، مما يُمثل انخفاضًا في استهلاك الطاقة بمقدار 125 ضعفًا.  

كانت تكلفة توصيل الأسلاك عبر النوى هي العامل الرئيسي في تكلفة أنظمة الذاكرة الأساسية الكاملة. تطلب نظام التيار المتزامن الذي ابتكره فورستر مدّ أحد الأسلاك بزاوية 45 درجة بالنسبة للنوى، وهو ما ثبت صعوبة توصيله آليًا، ما استدعى تجميع مصفوفات النوى تحت المجهر بواسطة عمال يتمتعون بمهارات حركية دقيقة.

في عام 1956، تقدم فريق في شركة IBM بطلب للحصول على براءة اختراع لآلة تقوم بتمرير الأسلاك القليلة الأولى تلقائيًا عبر كل نواة. كانت هذه الآلة تُثبّت مستوى النوى بالكامل في "عش"، ثم تدفع مجموعة من الإبر المجوفة عبر النوى لتوجيه الأسلاك. ^{[ 28 ]} وقد ساهم استخدام هذه الآلة في تقليل الوقت اللازم لتمرير خطوط التحديد X وY المستقيمة من 25 ساعة إلى 12 دقيقة فقط على مصفوفة نوى بحجم 128 × 128. ^{[ 29 ]}

أدى صغر حجم النوى إلى جعل استخدام الإبر المجوفة غير عملي، ولكن شهدت عملية تمرير الخيوط في النوى شبه الآلية تطورات عديدة. وتم تطوير حوامل داعمة مزودة بقنوات توجيه. وتم ربط النوى بشكل دائم برقعة من الصفيحة الخلفية لدعمها أثناء التصنيع والاستخدام اللاحق. وتم لحام إبر تمرير الخيوط بالأسلاك لحامًا طرفيًا ؛ وكان قطر الإبرة والسلك متطابقًا، وبُذلت جهود للاستغناء عن استخدام الإبر. ^{[ 30 ] [ 31 ]}

كان التغيير الأهم، من وجهة نظر الأتمتة، هو دمج أسلاك الاستشعار والتثبيط، مما ألغى الحاجة إلى سلك استشعار قطري ملتف. ومع تغييرات طفيفة في التصميم، سمح ذلك أيضًا بتكثيف أكبر للوحدات في كل رقعة. ^{[ 32 ] [ 33 ]}

بحلول أوائل الستينيات، انخفضت تكلفة الذاكرة الأساسية إلى درجة جعلتها شبه عالمية كذاكرة رئيسية ، لتحل محل كل من ذاكرة الأسطوانة الرخيصة منخفضة الأداء والأنظمة عالية الأداء باهظة الثمن التي تستخدم الصمامات المفرغة ، ولاحقًا الترانزستورات المنفصلة كذاكرة . وقد انخفضت تكلفة الذاكرة الأساسية بشكل حاد طوال فترة استخدام هذه التقنية: إذ بدأت التكلفة بحوالي دولار أمريكي واحد لكل بت وانخفضت إلى حوالي 0.01 دولار أمريكي لكل بت.

أصبحت ذاكرة النواة قديمة الطراز مع ظهور ذاكرة الدوائر المتكاملة لأشباه الموصلات في سبعينيات القرن العشرين، إلا أنها ظلت مستخدمة في التطبيقات بالغة الأهمية والتي تتطلب موثوقية عالية في نظام IBM System/4 Pi AP-101 (المستخدم في مكوك الفضاء حتى تحديثه في أوائل تسعينيات القرن العشرين، وفي قاذفات القنابل B-52 و B-1B ). ^{[ 34 ] [ 35 ] [ 36 ]}

من الأمثلة على حجم وتكلفة وتقنية الذاكرة الأساسية في ستينيات القرن العشرين، وحدة الذاكرة الأساسية بسعة 256 كيلوبايت و36 بت (1.2 ^{ميجابايت} ) التي تم تركيبها على جهاز ^PDP - ⁶ في مختبر الذكاء الاصطناعي بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا عام 1967. ^{[ 37 ]} وقد اعتُبرت هذه الوحدة "ضخمة بشكل لا يُصدق" آنذاك، وأُطلق عليها اسم "ذاكرة موبي". ^{[ 38 ]} بلغت تكلفتها 380,000 دولار (0.04 دولار/بت)، وكان عرضها وارتفاعها وعمقها 175 سم × 127 سم × 64 سم (69 بوصة × 50 بوصة × 25 بوصة) مع دوائرها الداعمة (189 كيلوبت/قدم مكعب = 6.7 كيلوبت/لتر). وكان زمن دورتها 2.75 ميكروثانية. ^{[ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]}            

في عام 1980، بلغ سعر لوحة ذاكرة أساسية بسعة 16 كيلو  وورد ( ما يعادل 32 كيلوبايت) تتناسب مع حاسوب DEC Q-bus حوالي 3000 دولار أمريكي . في ذلك الوقت، كان من الممكن وضع مصفوفة الذاكرة الأساسية والإلكترونيات الداعمة لها على لوحة دوائر مطبوعة واحدة بحجم 25 سم × 20 سم (10 بوصات × 8 بوصات) ، وكانت مصفوفة الذاكرة الأساسية مثبتة على بعد بضعة ملليمترات فوق لوحة الدوائر المطبوعة ومحمية بلوحة معدنية أو بلاستيكية.       

يُعدّ نوع الذاكرة الأساسية الأكثر شيوعًا، وهو ذاكرة التيار المتزامن X/Y ، المستخدمة في الذاكرة الرئيسية للحاسوب، ويتكون من عدد كبير من الفريتات الخزفية المغناطيسية الصغيرة الحلقية الشكل ( النوى ) المُثبّتة معًا في بنية شبكية (مُنظّمة على شكل طبقات مُكدّسة تُسمى مستويات ) ، مع أسلاك مُتشابكة عبر الثقوب الموجودة في مراكز النوى. في الأنظمة المبكرة، كانت هناك أربعة أسلاك: X و Y و Sense و Inhibit ، ولكن في النوى اللاحقة، جُمع السلكان الأخيران في خط Sense/Inhibit واحد. ^{[ 32 ]} تُخزّن كل حلقة بتًا واحدًا (0 أو 1). يُمكن الوصول إلى بت واحد في كل مستوى في دورة واحدة، لذا فإن كل كلمة في مصفوفة الكلمات كانت موزعة على "مجموعة" من المستويات. يُعالج كل مستوى بتًا واحدًا من الكلمة بالتوازي ، مما يسمح بقراءة الكلمة كاملة أو كتابتها في دورة واحدة.

تعتمد النواة على خصائص حلقة التخلف المغناطيسي المربعة لمادة الفريت المستخدمة في صناعة الملفات الحلقية. يُولّد تيار كهربائي يمر عبر سلك في النواة مجالًا مغناطيسيًا. ولا يُمكن تغيير قطبية النواة المغناطيسية إلا إذا تجاوز المجال المغناطيسي شدة معينة ("تحديد"). ولتحديد موقع في الذاكرة، يُمرر نصف التيار المطلوب ("نصف التحديد") عبر أحد خطي X وY. ويكفي المجال المغناطيسي الناتج عند تقاطع خطي X وY ( الاقتران المنطقي ) لتغيير الحالة؛ أما النوى الأخرى، فستتلقى نصف المجال المطلوب ("نصف التحديد")، أو لن تتلقى أي تيار على الإطلاق. وبتمرير التيار عبر الأسلاك في اتجاه معين، يُجبر المجال الناتج التدفق المغناطيسي للنواة المحددة على الدوران في اتجاه واحد (مع عقارب الساعة أو عكسها). يُمثل أحد الاتجاهين القيمة 1 المخزنة ، بينما يُمثل الآخر القيمة 0 المخزنة .

يُفضّل الشكل الحلقي للنواة لأن المسار المغناطيسي مغلق، ولا توجد أقطاب مغناطيسية، وبالتالي يكون التدفق الخارجي ضئيلاً للغاية. وهذا يسمح بتكديس النوى معًا بشكل وثيق دون تداخل مجالاتها المغناطيسية. وقد استلزم استخدام التموضع المتناوب بزاوية 45 درجة في المصفوفات الأولى للنوى وجود أسلاك الاستشعار القطرية. ومع إزالة هذه الأسلاك القطرية، أصبح من الممكن تكديسها بشكل أكثر إحكامًا. ^{[ 33 ]}

وقت الوصول بالإضافة إلى وقت إعادة الكتابة هو وقت دورة الذاكرة .

كانت ذاكرة النواة ذات خطوط الكلمات تُستخدم غالبًا لتوفير ذاكرة السجلات. ومن الأسماء الأخرى لهذا النوع: التحديد الخطي وثنائي الأبعاد . عادةً ما يمرر هذا النوع من ذاكرة النواة ثلاثة أسلاك عبر كل نواة على المستوى: قراءة الكلمات ، وكتابة الكلمات ، واستشعار/كتابة البتات . لقراءة الكلمات أو مسحها، يُطبق التيار الكامل على خط قراءة كلمة واحد أو أكثر ؛ مما يؤدي إلى مسح النوى المحددة، وأي نوى أخرى تنقلب تُحدث نبضات جهد في خطوط استشعار/كتابة البتات الخاصة بها. في حالة القراءة، يُحدد عادةً خط قراءة كلمة واحد فقط ؛ أما في حالة المسح، فيمكن تحديد عدة خطوط قراءة كلمات مع تجاهل خطوط استشعار/كتابة البتات . لكتابة الكلمات، يُطبق نصف التيار على خط كتابة كلمة واحد أو أكثر ، ويُطبق نصف التيار على كل خط استشعار/كتابة بت لضبط البت. في بعض التصاميم، دُمجت خطوط قراءة وكتابة الكلمات في سلك واحد، مما ينتج عنه مصفوفة ذاكرة بسلكين فقط لكل بت. في حالة الكتابة، يمكن تحديد عدة خطوط كتابة كلمات . وفر هذا النظام ميزة أداء مقارنةً بتقنية التيار المتزامن لخطوط X/Y، حيث أمكن مسح أو كتابة كلمات متعددة بنفس القيمة في دورة واحدة. عادةً ما تستخدم مجموعة سجلات الجهاز النموذجي مستوىً صغيرًا واحدًا فقط من هذا النوع من الذاكرة الأساسية. وقد صُممت بعض الذواكر الضخمة جدًا باستخدام هذه التقنية، على سبيل المثال، ذاكرة التخزين الأساسية الموسعة (ECS) المساعدة في جهاز CDC 6600 ، والتي وصلت سعتها إلى مليوني كلمة من 60 بت.