Twistor-Speicher - Twistor memory

Twistor- Speicher ist eine Form von Computerspeicher , der durch Wickeln von Magnetband um einen stromführenden Draht gebildet wird. Operativ war Twistor dem Kernspeicher sehr ähnlich . Twistor könnte auch verwendet werden, um ROM- Speicher herzustellen , einschließlich einer umprogrammierbaren Form, die als Huckepack-Twister bekannt ist . Beide Formen konnten mit automatisierten Prozessen hergestellt werden, was zu deutlich geringeren Produktionskosten als kernbasierte Systeme führen sollte.

1957 von Bell Labs eingeführt , war der erste kommerzielle Einsatz in ihrem 1ESS-Switch, der 1965 in Betrieb ging. Twistor wurde nur kurz in den späten 1960er und frühen 1970er Jahren verwendet, als Halbleiterspeicher fast alle früheren Speichersysteme ersetzten. Die Grundideen von Twistor führten auch zur Entwicklung des Blasenspeichers , obwohl dieser eine ähnlich kurze kommerzielle Lebensdauer hatte.

Kernspeicher

Konstruktion

Diagramm einer 4×4-Ebene eines Magnetkernspeichers in einem X/Y-Linien-Koinzidenzstrom-Setup. X und Y sind Antriebsleitungen, S ist Sense, Z ist gesperrt. Pfeile zeigen die Stromrichtung zum Schreiben an.

Im Kerngedächtnis werden kleine ringförmige Magnete - die Kerne - durch zwei gekreuzte Drähte X und Y gefädelt , um eine Matrix zu bilden, die als Ebene bekannt ist . Wenn ein X- und ein Y-Draht mit Strom versorgt werden, wird ein Magnetfeld in einem 45-Grad- Winkel zu den Drähten erzeugt. Die Kernmagnete sitzen in einem 45-Grad-Winkel auf den Drähten, sodass der einzelne Kern, der um den Kreuzungspunkt der gespeisten X- und Y-Drähte gewickelt ist, vom induzierten Feld beeinflusst wird.

Die für die Kernmagnete verwendeten Materialien wurden speziell so gewählt, dass sie ein sehr "quadratisches" magnetisches Hysteresemuster aufweisen. Dies bedeutete, dass Felder knapp unterhalb einer bestimmten Schwelle nichts bewirken, aber diejenigen direkt oberhalb dieser Schwelle bewirken, dass der Kern von diesem Magnetfeld beeinflusst wird. Das quadratische Muster und die scharfen Flipping-Zustände stellen sicher, dass ein einzelner Kern innerhalb eines Gitters adressiert werden kann; Nahe gelegene Kerne sehen ein etwas anderes Feld und sind nicht betroffen.

Datenabruf

Die grundlegende Operation in einem Kernspeicher ist das Schreiben. Dies wird erreicht, indem ein ausgewählter X- und Y-Draht beide auf den Strompegel gespeist wird, der selbst die Hälfte des kritischen Magnetfelds erzeugt. Dadurch wird das Feld am Kreuzungspunkt größer als der Sättigungspunkt des Kerns und der Kern nimmt das externe Feld auf. Einsen und Nullen werden durch die Feldrichtung dargestellt, die durch einfaches Ändern der Stromflussrichtung in einem der beiden Drähte eingestellt werden kann.

Im Kernspeicher wird ein dritter Draht - die Sense/Inhibit-Leitung - benötigt, um ein Bit zu schreiben oder zu lesen . Lesen verwendet den Prozess des Schreibens; die X- und Y-Leitungen werden auf die gleiche Weise mit Strom versorgt, wie sie es tun würden, um eine "0" in den ausgewählten Kern zu schreiben. Wenn dieser Kern zu diesem Zeitpunkt eine "1" hielt, wird ein kurzer Elektrizitätsimpuls in die Erfassungs-/Sperrleitung induziert. Wenn kein Impuls zu sehen ist, hielt der Kern eine "0". Dieser Prozess ist destruktiv; wenn der Kern eine "1" hielt, wird dieses Muster während des Lesens zerstört und muss in einer nachfolgenden Operation neu gesetzt werden.

Die Sense/Inhibit-Leitung wird von allen Kernen in einer bestimmten Ebene geteilt, was bedeutet, dass nur ein Bit gleichzeitig gelesen (oder geschrieben) werden kann. Kernebenen wurden typischerweise gestapelt, um ein Bit eines Wortes pro Ebene zu speichern, und ein Wort konnte in einer einzigen Operation gelesen oder geschrieben werden, indem alle Ebenen gleichzeitig bearbeitet wurden.

Zwischen den Lese- oder Schreibvorgängen wurden die Daten magnetisch gespeichert. Dies bedeutet, dass der Kern ein nichtflüchtiger Speicher ist .

Herstellung

Der Herstellungskern war ein großes Thema. Die X- und Y-Drähte mussten in einem Webmuster durch die Kerne gefädelt werden, und die Sense/Inhibit-Leitung ging durch jeden Kern in einer Ebene. Die Kernproduktion, die bis in die 1970er Jahre eine manuelle Aufgabe blieb, konnte trotz erheblicher Anstrengungen niemandem erfolgreich automatisiert werden. Um die Speicherdichte zu erhöhen, musste man kleinere Kerne verwenden, was die Verdrahtung mit den Leitungen erheblich erschwerte. Obwohl die Dichte des Kerns im Laufe seiner Betriebslebensdauer um ein Vielfaches zunahm, blieben die Kosten des Kerns pro Bit konstant.

Twistor

Eine frühe Iteration des Twistor bestand aus einem verdrillten ferromagnetischen Draht, der durch eine Reihe konzentrischer Magnetspulen gefädelt wurde (siehe beigefügtes Foto eines Prüfstands für ein einzelnes "Bit"). Die längere Magnetspule ist die SENSE-Spule, die kürzere die WRITE-Spule. Ein einzelnes Bit wurde geschrieben, indem die WRITE-Spule mit einem + (1) oder - (0) Strom gepulst wurde, der ausreichte, um den spiralförmigen Bereich unter der Spule in eine von zwei Richtungen zu magnetisieren. An einem Ende des gedehnten Drahtes befand sich das READ-Solenoid - wenn es gepulst wurde, schickte es eine akustische Welle durch den Draht. Als der akustische Impuls unter jeder SENSE-Spule hindurchlief, induzierte er einen kleinen elektrischen Impuls, entweder + oder -, abhängig von der Magnetisierungsrichtung des Bereichs des Drahtes. Somit könnte mit jedem Impuls ein "Byte" seriell ausgelesen werden.

Twistor ähnelte im Konzept dem Kernspeicher, ersetzte jedoch die kreisförmigen Magnete durch Magnetband, um die Muster zu speichern. Das Band wurde um einen Satz Drähte, das Äquivalent der X-Linie, so gewickelt, dass es eine 45-Grad- Helix bildete . Die Y-Drähte wurden durch Solenoide ersetzt, die eine Reihe von Twistor-Drähten umwickelten. Die Auswahl eines bestimmten Bits war die gleiche wie im Kern, wobei eine X- und Y-Leitung mit Strom versorgt wurde und ein Feld bei 45 Grad erzeugte. Das Magnetband wurde speziell ausgewählt, um eine Magnetisierung nur entlang der Länge des Bandes zu ermöglichen, so dass nur ein einzelner Punkt des Twistors die richtige Feldrichtung hat, um magnetisiert zu werden.

Das ursprüngliche Twistor-System verwendete Permalloy- Band, das um einen 3 mil Kupferdraht gewickelt war. Für jede gegebene Drahtlänge wurde das Band nur über die erste Hälfte aufgewickelt. Der Kupferdraht wurde dann an der Stelle, an der das Band endete, gebogen und lief entlang des Abschnitts mit dem Band zurück, um einen Rückleiter zu bilden. Dies bedeutete, dass alle Verbindungen an einem Ende waren. Mehrere solcher Twistor-Leitungen wurden Seite an Seite gelegt und dann zu einer PET-Folie- Kunststofffolie laminiert , wobei die Twister und ihre Rückdrähte etwa 1/10 Zoll voneinander entfernt waren. Ein typisches Band könnte fünf Twistor-Drähte und ihre Rückläufe haben, so dass das Blatt etwas mehr als einen Zoll breit war. Der Solenoid war ähnlich aufgebaut und bestand aus einer Anzahl von 0,15 Zoll breiten Kupferbändern, die in ein Plastikband mit den gleichen Grundabmessungen wie der Twistor laminiert waren. Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Solenoid mit vielen Drahtwindungen um einen offenen Kern war dieses System im Wesentlichen nichts anderes als einzelne Drähte in einer Kunststoffplatte.

Um das komplette Speichersystem aufzubauen, wurde eine Platte des Solenoids flach ausgelegt, beispielsweise entlang der X-Richtung, und dann wurde eine Platte des Twistors rechtwinklig dazu entlang der Y-Achse aufgelegt. Das Solenoidband wurde dann umgefaltet, so dass es die Twistorfolie umwickelte, wodurch eine Reihe von U-förmigen Solenoiden erzeugt wurde. Jetzt wird eine weitere Lage des Magnetbandes über die erste gelegt, das Twistorband umgefaltet, so dass es nun entlang der negativen Y-Achse über die Oberseite des neuen Magnetbandes verläuft, und dann wird das Magnetband umgefaltet, um einen zweiten Satz von . zu bilden Schleifen. Dieser Vorgang wird fortgesetzt, bis der Twistor-Streifen "aufgebraucht" ist und einen kompakten Speicherwürfel bildet. Entlang einer Seite des Speichers, die mit jeder der Magnetschleifen verbunden war, befand sich eine Reihe kleiner Kerne, die ausschließlich zum Schalten verwendet wurden (ihr ursprünglicher Zweck, die Entwicklung als Speicher kam später).

Der Hauptgrund für die Entwicklung von Twistor durch Bell ist, dass der Prozess hochgradig automatisiert werden kann. Obwohl der Faltvorgang, der den Twistor fertigstellte, von Hand durchgeführt werden konnte, war das Auflegen und Laminieren der Blätter leicht maschinell zu handhaben. Verbesserte Twistor-Versionen wickelten auch den Abschnitt aus blankem Kupfer, der ursprünglich nur für den Rückweg verwendet wurde, und verdoppelten so die Dichte ohne Änderungen an den Produktionstechniken.

Operation

Das Schreiben auf Twistor war praktisch identisch mit dem Core; ein bestimmtes Bit wurde ausgewählt, indem einer der Twistor-Drähte und eine der Solenoidschleifen mit der Hälfte der erforderlichen Leistung versorgt wurden, so dass die erforderliche Feldstärke nur am Schnittpunkt der beiden erzeugt wurde.

Beim Lesen wurde ein anderer Prozess verwendet. Im Gegensatz zu Core hatte Twistor keine Sense/Inhibit-Leitung. Stattdessen verwendete es einen größeren Strom im Solenoid, der groß genug war, um alle Bits in dieser Schleife umzudrehen, und verwendete dann die Twistor-Drähte als Leseleitung.

Twistor wurde also eine Ebene nach der anderen gelesen und geschrieben, und nicht im Kern, wo nur ein Bit pro Ebene gleichzeitig verwendet werden konnte.

Permanentmagnet-Twister

Twistor könnte modifiziert werden, um ein ROM zu erzeugen, das leicht umprogrammiert werden könnte. Dazu wurde die Hälfte jeder Magnetschleife durch eine Aluminiumkarte ersetzt, in die winzige Stabmagnete aus Vicalloy eingebettet waren. Da die Magnetspulen komplette Stromkreise sein müssen, damit Strom durch sie fließen kann, wurden sie noch als gefaltete Blätter eingelegt, aber in diesem Fall wurde die Schlaufe zwischen den Twistor-Falten statt um sie herum eingefügt . Dies ermöglichte es dem einzelnen Blatt, als eine Hälfte einer Magnetschleife für zwei Falten des Twistors oben und unten zu wirken. Um die Schleife zu vervollständigen, wurde die Magnetkarte auf die andere Seite des Twistorbandes gelegt.

Lesevorgänge wurden durchgeführt, indem das Solenoid bis zu einem Punkt mit Strom versorgt wurde, der etwa halb so hoch war, wie zum Erzeugen eines Schreibvorgangs erforderlich. Dieses Feld wurde vom Aluminiumblech "reflektiert", wodurch die Schleife magnetisch geschlossen wurde. Das resultierende Feld war größer als die Schreibstärke, wodurch der Permalloy-Zustand umgedreht wurde. Wenn sich das Bit neben einem unmagnetisierten Stabmagneten in der Karte befand, war das Feld nicht entgegengesetzt und der Flip verursachte einen Stromimpuls im Twistor-Draht, der eine "1" anzeigte. Durch Magnetisieren des Stabes an diesem Bit wirkte der Stabmagnet jedoch dem durch den Solenoidstrom erzeugten Feld entgegen, wodurch es unterhalb der Schreibstärke lag und das Umkippen verhindert wurde. Dies las eine "0".

Der Permanentmagnet-Twistor (PMT) wurde umprogrammiert, indem die Platten entfernt und über einen kundenspezifischen Schreiber gelegt wurden. Vicalloy wurde verwendet, weil es zum Ummagnetisieren viel mehr Energie erforderte als das Permalloy-Band, so dass das System während des Gebrauchs im Speichersystem niemals in die Nähe des Zurücksetzens der Permanentmagnete kam. Das Schreibsystem verwendete viel größere Ströme, die diesen Widerstand überwanden.

Das im 1ESS-System verwendete PMT verwendet Module mit 128 Karten mit jeweils 2818 Magneten (für 64 44-Bit-Wörter). Daraus entstand ein Modul mit 8192 Wörtern (8 kibiwords ). Der gesamte Speicher verwendet 16 Module für insgesamt 131.072 Wörter (128 Kibiwörter), was 720.896 8-Bit-Bytes (704 KiB) entspricht.

Huckepack-Twister

Eine andere Form von Twistor-ROM ersetzte die Permanentmagnetkarten durch ein zweites Magnetband, das in einer "Huckepack"-Konfiguration um das erste auf den Twistor-Leitungen gewickelt war. Dieses Band wurde mit Koballoy anstelle von Permalloy beschichtet, das magnetisch viel "härter" ist und etwa das doppelte Feld benötigt, um sich umzudrehen. Um das System noch härter zu machen, war das Coballoy-Band etwa zweieinhalbmal dicker als das Permalloy-Band, sodass die resultierende Feldstärke fünfmal lag. Der externe Strom, der erforderlich war, um den Zustand des Coballoy-Bandes umzukehren, betrug etwa das 15-fache des normalen Betriebsstroms.

Die Lesevorgänge im Huckepack sind identisch mit der Permanentmagnet-Version. Die Schreibvorgänge waren etwas komplexer, da Huckepack-Twister alle das Magnetband entlang der gesamten Länge des X-Drahts aufwiesen. Dies bedeutete, dass ein Magnet sowohl das geschriebene Bit als auch dasjenige auf dem Abschnitt des Rückleiters umwickelte. Um das eine und das andere nicht einzustellen, wurde der Elektromagnet zuerst in eine Richtung und dann in die andere gespeist, während der Strom in der Twistor-Leitung konstant blieb. Dies erzeugte wiederum zwei Magnetfelder, eines ausgerichtet auf den ersten Drahtabschnitt und dann das zweite. Alle Lese- und Schreibvorgänge wurden auf diese Weise an gepaarten Bits ausgeführt.

Anwendungen

Twistor wurde in einer Reihe von Anwendungen verwendet. Ein Großteil der Entwicklungsgelder wurde von der US Air Force bereitgestellt , da Twistor als Hauptspeicher im LIM-49 Nike Zeus- Projekt verwendet werden sollte.

In den Vereinigten Staaten verwendete das Bell System ( American Telephone & Telegraph ) auch Twister mit Permanentmagneten als "Programmspeicher" oder Hauptspeicher in seinem ersten elektronischen Telefonvermittlungssystem, dem 1ESS sowie anderen in der ESS- Serie von elektronischen Telefonschaltern , und dies bis zum 4ESS-Switch , der 1976 eingeführt und bis in die 1980er Jahre verkauft wurde.

Darüber hinaus wurde twistor im Traffic Service Position System (TSPS) verwendet, dem Nachfolger von schnurgebundenen Telefonzentralen von Bell, der die Anrufabwicklung und das Einsammeln von Münzen für Orts- und Auslandsgespräche steuerte.

Ab Oktober 2008 bieten einige verbleibende TSPS- und ESS-Installationen weiterhin Telefondienste in ländlichen Gebieten der Vereinigten Staaten sowie in Mexiko und Kolumbien an, wo viele US-Systeme verkauft und wieder installiert wurden, nachdem sie in den Vereinigten Staaten außer Betrieb genommen wurden.

Verweise

Zitate

Literaturverzeichnis

Externe Links

• Tison, T.; Grupen, W.; Chin, Gilbert (1970). „Stressunempfindliche Permalloys für Speicheranwendungen“. IEEE-Transaktionen über Magnetik . 6 (3): 712–6. Bibcode : 1970ITM.....6..712T . doi : 10.1109/TMAG.1970.1066864 .
• Memory Units - eine allgemeine Diskussion über Computerspeichersysteme, die in den späten 1960er Jahren geschrieben wurde und eine Diskussion über Twistor enthält.
• Rostki, G. (2008). "Bubbles: das bessere Gedächtnis" . Missverstandene Meilensteine . EETimes. Archiviert vom Original am 2008-09-05.