15.4: Tecnologías de Memoria Históricas y No Mecánicas

Quizás la técnica más ingeniosa fue la de la línea de retardo. Una línea de retardo es cualquier tipo de dispositivo que retrasa la propagación de una señal de pulso u onda. Si alguna vez has escuchado un sonido resonando de un lado a otro a través de un cañón o cueva, has experimentado una línea de retardo de audio: la onda de ruido viaja a la velocidad del sonido, rebotando en las paredes e invirtiendo la dirección de viaje. La línea de retardo “almacena” datos de manera muy temporal si la señal no se fortalece periódicamente, pero el hecho mismo de que almacene datos en absoluto es un fenómeno explotable para la tecnología de memoria.

Las primeras líneas de retardo de computadora utilizaron tubos largos llenos de mercurio líquido, el cual se utilizó como medio físico a través del cual las ondas sonoras viajaban a lo largo del tubo. Se montó un transductor eléctrico/de sonido en cada extremo, uno para crear ondas sonoras a partir de impulsos eléctricos y el otro para generar impulsos eléctricos a partir de ondas sonoras. Se envió un flujo de datos binarios en serie al transductor transmisor como señal de voltaje. La secuencia de ondas sonoras viajaría de izquierda a derecha a través del mercurio en el tubo y sería recibida por el transductor en el otro extremo. El transductor receptor recibiría los pulsos en el mismo orden en que fueron transmitidos:

Un circuito de retroalimentación conectado al transductor receptor volvería a accionar el transductor transmisor, enviando la misma secuencia de pulsos a través del tubo como ondas sonoras, almacenando los datos siempre y cuando el circuito de retroalimentación continuara funcionando. La línea de retardo funcionaba como un registro de desplazamiento primero en entrar, primero en salir (FIFO), y la retroalimentación externa convirtió ese comportamiento del registro de desplazamiento en un contador de anillo, alternando los bits indefinidamente.

El concepto de línea de retardo sufrió numerosas limitaciones por los materiales y la tecnología que entonces estaban disponibles. La computadora EDVAC de principios de la década de 1950 utilizaba 128 tubos llenos de mercurio, cada uno de aproximadamente 5 pies de largo y almacenaba un máximo de 384 bits. Los cambios de temperatura afectarían la velocidad del sonido en el mercurio, inclinando así el retardo de tiempo en cada tubo y causando problemas de sincronización. Los diseños posteriores reemplazaron el medio de mercurio líquido con varillas sólidas de vidrio, cuarzo o metal especial que retrasaban las ondas torsionales (retorcidas) en lugar de las ondas longitudinales (longitudinales), y operaban a frecuencias mucho más altas.

Una de esas líneas de retardo utilizó un cable especial de níquel-hierro-titanio (elegido por su buena estabilidad a la temperatura) de aproximadamente 95 pies de longitud, enrollado para reducir el tamaño general del paquete. El tiempo de retardo total de un extremo del cable al otro fue de aproximadamente 9.8 milisegundos, y la frecuencia de reloj práctica más alta fue de 1 MHz. Esto significó que aproximadamente 9800 bits de datos podrían almacenarse en el cable de línea de retardo en cualquier momento dado. Dados los diferentes medios de retrasar las señales que no serían tan susceptibles a las variables ambientales (como los pulsos de luz en serie dentro de una fibra óptica larga), este enfoque podría algún día encontrar una nueva aplicación.

Otro enfoque con el que experimentaron los primeros ingenieros informáticos fue el uso de un tubo de rayos catódicos (TRC), el tipo comúnmente utilizado para pantallas de osciloscopio, radar y televisión, para almacenar datos binarios. Normalmente, el haz de electrones enfocado y dirigido en un CRT se usaría para hacer brillar bits de fósforo químico en el interior del tubo, produciendo así una imagen visible en la pantalla. En esta aplicación, sin embargo, el resultado deseado fue la creación de una carga eléctrica sobre el vidrio de la pantalla por el impacto del haz de electrones, que luego sería detectada por una rejilla metálica colocada directamente frente al CRT. Al igual que la línea de retardo, la llamada memoria Williams Tube necesitaba actualizarse periódicamente con circuitos externos para retener sus datos. A diferencia de los mecanismos de la línea de retardo, era prácticamente inmune a los factores ambientales de temperatura y vibración. La computadora IBM modelo 701 lucía una memoria Williams Tube con una capacidad de 4 kilobytes y una mala costumbre de “sobrecargar” bits en la pantalla del tubo con sucesivas reescrituras para que los estados falsos de “1” pudieran desbordarse a puntos adyacentes en la pantalla.

El siguiente gran avance en la memoria de la computadora se produjo cuando los ingenieros recurrieron a los materiales magnéticos como medio para almacenar datos binarios. Se descubrió que ciertos compuestos de hierro, a saber, la “ferrita”, poseían curvas de histéresis que eran casi cuadradas:

Mostrada en una gráfica con la intensidad del campo magnético aplicado en el eje horizontal (intensidad de campo), y la magnetización real (orientación de los espines de electrones en el material de ferrita) en el eje vertical (densidad de flujo), la ferrita no se magnetizará en una dirección hasta que campo aplicado excede un valor umbral crítico. Una vez que se excede ese valor crítico, los electrones en la ferrita “encajan” en alineación magnética y la ferrita se magnetiza. Si entonces se apaga el campo aplicado, la ferrita mantiene el magnetismo completo. Para magnetizar la ferrita en la otra dirección (polaridad), el campo magnético aplicado debe exceder el valor crítico en la dirección opuesta. Una vez que se excede ese valor crítico, los electrones en la ferrita “encajan” en alineación magnética en la dirección opuesta. Una vez más, si entonces se apaga el campo aplicado, la ferrita mantiene el magnetismo completo. En pocas palabras, la magnetización de una pieza de ferrita es “biestable”.

Aprovechando esta extraña propiedad de la ferrita, podemos usar este “pestillo” magnético natural para almacenar un bit binario de datos. Para establecer o restablecer este “pestillo”, podemos usar corriente eléctrica a través de un cable o bobina para generar el campo magnético necesario, que luego se aplicará a la ferrita. Jay Forrester del MIT aplicó este principio al inventar la memoria magnética de “núcleo”, que se convirtió en la tecnología de memoria de computadora dominante durante la década de 1970.

Una rejilla de cables, aislados eléctricamente entre sí, atravesó el centro de muchos anillos de ferrita, cada uno de los cuales se llama “núcleo”. A medida que la corriente de CC se movía a través de cualquier cable desde la fuente de alimentación a tierra, se generó un campo magnético circular alrededor de ese cable energizado. Los valores de resistencia se establecieron de manera que la cantidad de corriente en el voltaje de fuente de alimentación regulada produciría un poco más de 1/2 de la intensidad del campo magnético crítico necesaria para magnetizar cualquiera de los anillos de ferrita. Por lo tanto, si el cable de la columna #4 estuviera energizado, todos los núcleos de esa columna estarían sujetos al campo magnético de ese cable, pero no sería lo suficientemente fuerte como para cambiar la magnetización de ninguno de esos núcleos. Sin embargo, si el alambre de la columna #4 y el cable de la fila #5 estuvieran ambos energizados, el núcleo en esa intersección de la columna #4 y la fila #5 estaría sujeto a una suma de esos dos campos magnéticos: una magnitud lo suficientemente fuerte como para “establecer” o “restablecer” la magnetización de ese núcleo. Es decir, cada núcleo fue abordado por la intersección de fila y columna. La distinción entre “set” y “reset” era la dirección de la polaridad magnética del núcleo, y ese valor de bit de los datos estaría determinado por la polaridad de los voltajes (con respecto a tierra) con los que se energizarían los hilos de fila y columna.

La siguiente fotografía muestra una placa de memoria central de una marca Data General, computadora modelo “Nova”, alrededor de finales de la década de 1960 o principios de la década de 1970. Tenía una capacidad de almacenamiento total de 4 kbytes (¡es decir, kilo bytes, no mega bytes!). Se muestra un bolígrafo para la comparación de tamaños:

Los componentes electrónicos que se ven alrededor de la periferia de esta placa se utilizan para “accionar” los cables de columna y fila con corriente, y también para leer el estado de un núcleo. Una fotografía de primer plano revela los núcleos en forma de anillo, a través de los cuales se enroscan los hilos Nuevamente, se muestra un bolígrafo para la comparación de tamaños:

En la siguiente fotografía se muestra una placa de memoria central de diseño posterior (circa 1971). Sus núcleos son mucho más pequeños y están más densamente empaquetados, dando más capacidad de almacenamiento de memoria que la placa anterior (8 kbytes en lugar de 4 kbytes):

Y, otro primer plano de los núcleos:

Escribir datos en la memoria central fue bastante fácil, pero leer esos datos fue un poco engañoso. Para facilitar esta función esencial, se enhebró un cable de “lectura” a través de todos los núcleos en una matriz de memoria, un extremo de la misma se conectó a tierra y el otro extremo se conectó a un circuito amplificador. Se generaría un pulso de voltaje en este cable de “lectura” si el núcleo direccionado cambiara de estado (de 0 a 1, o 1 a 0). En otras palabras, para leer el valor de un núcleo, había que escribir un 1 o un 0 en ese núcleo y monitorear el voltaje inducido en el cable de lectura para ver si el núcleo cambiaba. Obviamente, si se cambiara el estado del núcleo, tendrías que volver a configurarlo a su estado original, o de lo contrario los datos se habrían perdido. Este proceso se conoce como lectura destructiva, ya que los datos pueden ser cambiados (destruidos) a medida que se leen. Por lo tanto, es necesario refrescar con la memoria del núcleo, aunque no en todos los casos (es decir, en el caso de que el estado del núcleo no cambie cuando se le escribió un 1 o un 0).

Una ventaja importante de la memoria central sobre las líneas de retardo y Williams Tubes fue la no volatilidad. Los núcleos de ferrita mantuvieron su magnetización indefinidamente, sin necesidad de energía ni actualización. También era relativamente fácil de construir, más denso y físicamente más resistente que cualquiera de sus predecesores. La memoria central se utilizó desde la década de 1960 hasta finales de la década de 1970 en muchos sistemas informáticos, incluyendo las computadoras utilizadas para el programa espacial Apollo, computadoras de control de máquina herramienta CNC, computadoras comerciales (“mainframe”) y sistemas de control industrial. A pesar de que la memoria central está obsoleta desde hace mucho tiempo, el término “núcleo” todavía se usa a veces con referencia a la memoria RAM de una computadora.

Mientras se inventaban las líneas de retardo, Williams Tube y las tecnologías de memoria central, la RAM estática simple se estaba mejorando con tecnología de componentes activos más pequeños (tubo de vacío o transistor). La RAM estática nunca fue eclipsada por completo por sus competidores: incluso la vieja computadora ENIAC de la década de 1950 usaba circuitos de contador de anillos de tubo de vacío para registros de datos y cómputos. Sin embargo, finalmente, la tecnología de fabricación de chips IC a escala cada vez más pequeña le dio a los transistores la ventaja práctica sobre otras tecnologías, y la memoria central se convirtió en una pieza de museo en la década

Un último intento de una memoria magnética mejor que el núcleo fue la memoria de burbuja. La memoria de burbujas aprovechó un fenómeno peculiar en un mineral llamado granate, el cual, cuando se disponía en una película delgada y se exponía a un campo magnético constante perpendicular a la película, soportaba pequeñas regiones de “burbujas” magnetizadas opuestamente que podían ser impulsadas a lo largo de la película al pinchar con otros campos magnéticos externos. Se podrían colocar “pistas” sobre el granate para enfocar el movimiento de las burbujas depositando material magnético en la superficie de la película. Se formó una pista continua sobre el granate que dio a las burbujas un bucle largo en el que transitar, y se aplicó fuerza motriz a las burbujas con un par de bobinas de alambre enrolladas alrededor del granate y energizadas con un voltaje bifásico. Las burbujas podrían crearse o destruirse con una pequeña bobina de alambre colocada estratégicamente en el camino de las burbujas.

La presencia de una burbuja representaba un “1” binario y la ausencia de una burbuja representaba un “0” binario. Los datos podrían ser leídos y escritos en esta cadena de burbujas magnéticas en movimiento a medida que pasaban por la diminuta bobina de alambre, casi lo mismo que la “cabeza” de lectura/escritura en un reproductor de cintas, leyendo la magnetización de la cinta a medida que se mueve. Al igual que la memoria central, la memoria de burbujas no era volátil: un imán permanente suministraba el campo de fondo necesario para soportar las burbujas cuando se apagaba la alimentación. Sin embargo, a diferencia de la memoria central, la memoria de burbujas tenía una densidad de almacenamiento fenomenal: millones de bits podían almacenarse en un chip de granate de solo un par de pulgadas cuadradas de tamaño. Lo que mató a la memoria de burbujas como una alternativa viable a la RAM estática y dinámica fue su acceso lento y secuencial a los datos. Al no ser más que un registro de desplazamiento en serie increíblemente largo (contador de anillos), el acceso a cualquier porción particular de datos en la cadena serie podría ser bastante lento en comparación con otras tecnologías de memoria.

Un equivalente electrostático de la memoria de burbujas es la memoria del Dispositivo de Carga Acoplada (CCD), una adaptación de los dispositivos CCD utilizados en la fotografía digital. Al igual que la memoria de burbujas, los bits se desplazan en serie a lo largo de los canales en el material del sustrato mediante pulsos A diferencia de la memoria de burbujas, las cargas electrostáticas disminuyen y deben ser renovadas. Por lo tanto, la memoria CCD es volátil, con alta densidad de almacenamiento y acceso secuencial. Interesante, ¿no? La antigua memoria Williams Tube fue adaptada de la tecnología de visualización CRT, y la memoria CCD de la tecnología de grabación de video.