ذاكرة خط التأخير

📅 آخر تحديث: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 6 صور
الموسوعة الحرة

ذاكرة خط التأخير هي نوع من ذاكرة الحاسوب ، عفا عليها الزمن في الغالب، وكانت تُستخدم في بعض الحواسيب الرقمية الأولى ، وهي تعود للظهور مجدداً في صورة خطوط تأخير ضوئية . ومثل العديد من أنواع ذاكرة الحاسوب الإلكترونية الحديثة، كانت ذاكرة خط التأخير قابلة للتحديث ، ولكن على عكس ذاكرة الوصول العشوائي الحديثة ، كانت ذاكرة خط التأخير ذات وصول تسلسلي .

استُخدمت تقنية خطوط التأخير التناظرية منذ عشرينيات القرن الماضي لتأخير انتشار الإشارات التناظرية. عند استخدام خط التأخير كجهاز ذاكرة، يتم توصيل مُضخِّم ومُشكِّل نبضات بين مخرج خط التأخير ومدخله. تُعيد هذه الأجهزة تدوير الإشارات من المخرج إلى المدخل، مُنشئةً حلقةً تحافظ على الإشارة طالما استمر تزويدها بالطاقة. يضمن مُشكِّل النبضات بقاء النبضات مُشكَّلةً بشكلٍ جيد، مُزيلًا أي تدهور ناتج عن الفقد في الوسط.

تُساوي سعة الذاكرة زمن إعادة التدوير مقسومًا على زمن إرسال بت واحد. كانت أنظمة ذاكرة خط التأخير المبكرة تتمتع بسعات تصل إلى بضعة آلاف من البتات (مع أن مصطلح "بت" لم يكن شائع الاستخدام آنذاك)، حيث كانت أزمنة إعادة التدوير تُقاس بالمايكروثانية . لقراءة أو كتابة عنوان ذاكرة مُحدد ، من الضروري انتظار مرور الإشارة التي تُمثل قيمته عبر خط التأخير إلى الدائرة الإلكترونية. وبالتالي، فإن زمن استجابة قراءة أو كتابة أي عنوان مُحدد يعتمد على الوقت والعنوان، ولكنه لا يتجاوز زمن إعادة التدوير.

يُنسب ابتكار تقنية خط التأخير إلى ويليام شوكلي عام 1942 في مختبرات بيل ، [ 1 ] وقد كانت هذه التقنية أكثر فعالية من حيث التكلفة بمئة ضعف من منافستها الإلكترونية السابقة التي كانت تستخدم الصمامات المفرغة [ 2 ]، وبسرعة مماثلة تقريبًا. وسرعان ما طوّر ج. بريسبر إيكرت استخدام خط التأخير في ذاكرة الحاسوب عام 1944، وتم تكييفه للاستخدام في حواسيب مثل EDVAC و UNIVAC I بدءًا من عام 1945 .

تقدم إيكرت وجون ماوكلي بطلب للحصول على براءة اختراع لنظام ذاكرة خط التأخير في  31 أكتوبر 1947؛ وتم إصدار براءة الاختراع في عام 1953. [ 3 ] ركزت براءة الاختراع هذه على خطوط تأخير الزئبق ، ولكنها ناقشت أيضًا خطوط التأخير المصنوعة من سلاسل من المحاثات والمكثفات ، وخطوط التأخير المغناطيسية الانفعالية ، وخطوط التأخير المبنية باستخدام أقراص دوارة لنقل البيانات إلى رأس القراءة في نقطة واحدة على المحيط من رأس الكتابة في مكان آخر حول المحيط.

نشأة الرادار

نشأ المفهوم الأساسي لخط التأخير من أبحاث الرادار  في الحرب العالمية الثانية ، كنظام لتقليل التشويش الناتج عن الانعكاسات من الأرض والأجسام الأخرى غير المتحركة.

يتكون نظام الرادار بشكل أساسي من هوائي، وجهاز إرسال، وجهاز استقبال، وشاشة عرض . يتصل الهوائي بجهاز الإرسال، الذي يرسل نبضة قصيرة من الطاقة الراديوية قبل أن ينفصل عنه. ثم يتصل الهوائي بجهاز الاستقبال، الذي يُضخّم أي إشارات منعكسة ويرسلها إلى شاشة العرض. تُعيد الأجسام البعيدة عن الرادار أصداءً متأخرة عن تلك القريبة منه، وهو ما تُظهره شاشة العرض بصريًا على شكل "نبضة"، والتي يمكن قياسها على مقياس لتحديد المدى.

الأجسام الثابتة على مسافة محددة من الهوائي تُرسل إشارة دائمًا بعد نفس التأخير. تظهر هذه الإشارة كنقطة ثابتة على الشاشة، مما يُصعّب اكتشاف الأهداف الأخرى في المنطقة. كانت الرادارات القديمة تُوجّه أشعتها بعيدًا عن الأرض لتجنب معظم هذا "التشويش". لم يكن هذا الوضع مثاليًا؛ فقد تطلّب توجيهًا دقيقًا، وهو أمر صعب بالنسبة للرادارات المتنقلة الصغيرة، ولم يُزل مصادر التشويش الأخرى، مثل الانعكاسات من معالم بارزة كالتلال، وفي أسوأ الأحوال، كان يسمح للطائرات المعادية التي تحلق على ارتفاع منخفض بالتحليق "تحت الرادار".

لاستبعاد الأجسام الثابتة، تمت مقارنة نبضتين، وحُذفت الإشارات العائدة بنفس زمن التأخير. ولتحقيق ذلك، قُسّمت الإشارة المرسلة من جهاز الاستقبال إلى الشاشة إلى مسارين، أحدهما يؤدي مباشرةً إلى الشاشة والآخر إلى وحدة تأخير. ضُبط التأخير بدقة ليكون مضاعفًا للزمن بين النبضات، أو ما يُعرف بـ " تردد تكرار النبضات ". ونتيجةً لذلك، خرجت الإشارة المتأخرة من نبضة سابقة من وحدة التأخير في نفس لحظة استقبال الإشارة من نبضة أحدث من الهوائي. عُكست إحدى الإشارتين كهربائيًا، وعادةً ما تكون إشارة التأخير، ثم جُمعت الإشارتان وأُرسلتا إلى الشاشة. أي إشارة في نفس الموقع أُلغيت بواسطة الإشارة المعكوسة من نبضة سابقة، ليتبقى فقط الأجسام المتحركة على الشاشة.

تم ابتكار أنواع عديدة من أنظمة التأخير لهذا الغرض، وكان أحد مبادئها المشتركة هو تخزين المعلومات صوتيًا في وسيط. أجرى معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا تجارب على عدد من الأنظمة، بما في ذلك الزجاج والكوارتز والفولاذ والرصاص. ونشر اليابانيون نظامًا يتكون من عنصر كوارتز مغطى بطبقة من مسحوق الزجاج، مما قلل من الموجات السطحية التي تعيق الاستقبال السليم. واستخدم مختبر الأبحاث البحرية الأمريكي قضبانًا فولاذية ملفوفة بشكل حلزوني، لكن هذا كان مفيدًا فقط للترددات المنخفضة التي تقل عن 1  ميجاهرتز. واستخدمت شركة رايثيون سبيكة من المغنيسيوم طُوّرت في الأصل لصناعة الأجراس. [ 4 ]

طُوِّر أول نظام عملي لإزالة الفوضى، قائم على هذا المفهوم، على يد ج. بريسبر إيكرت في كلية مور للهندسة الكهربائية بجامعة بنسلفانيا . اعتمد حله على عمود من الزئبق مزود بمحولات طاقة بلورية كهرضغطية (مزيج من مكبر صوت وميكروفون) عند طرفيه. تُرسَل إشارات من مُضخِّم الرادار إلى محول الطاقة عند أحد طرفي الأنبوب، والذي يُولِّد موجة صغيرة في الزئبق. تنتقل الموجة بسرعة إلى الطرف الآخر من الأنبوب، حيث يُعيد محول الطاقة الآخر قراءتها، ثم يعكسها، ويرسلها إلى الشاشة. تطلَّب الأمر ترتيبًا ميكانيكيًا دقيقًا لضمان توافق زمن التأخير مع توقيت النبضات في الرادار المستخدم.

كانت جميع هذه الأنظمة مناسبة للتحويل إلى ذاكرة حاسوب. يكمن السر في استعادة الإشارات وإعادة تدويرها، حتى لا تختفي بعد مرورها عبر فترة التأخير. وكان هذا الأمر سهلاً نسبياً باستخدام إلكترونيات بسيطة.

خطوط التأخير الصوتي

خطوط تأخير الزئبق

ذاكرة الزئبق لـ UNIVAC I (1951)

بعد الحرب، وجّه إيكرت اهتمامه إلى تطوير الحواسيب، وهو موضوع كان يحظى باهتمام كبير آنذاك. تمثلت إحدى المشكلات التي واجهت التطوير العملي في نقص جهاز ذاكرة مناسب، وقد منحه عمل إيكرت على تأخيرات الرادار ميزة كبيرة على الباحثين الآخرين في هذا الصدد.

بالنسبة لتطبيقات الحاسوب، كان التوقيت بالغ الأهمية، ولكن لسبب مختلف. فالحواسيب التقليدية تحتاج إلى دورة ساعة لإتمام أي عملية، والتي تبدأ وتنتهي عادةً بقراءة أو كتابة البيانات في الذاكرة. لذا، كان لا بد من ضبط توقيت خطوط التأخير بحيث تصل النبضات إلى جهاز الاستقبال في اللحظة التي يكون فيها الحاسوب جاهزًا للقراءة. تمر العديد من النبضات عبر خط التأخير، ويقوم الحاسوب بعدّها بمقارنتها بساعة رئيسية للعثور على البت المطلوب.

رسم تخطيطي لخط تأخير الزئبق المستخدم في حاسوب SEAC

استُخدم الزئبق لأن مقاومته الصوتية قريبة من مقاومة بلورات الكوارتز الكهروإجهادية ؛ مما قلل من فقد الطاقة والصدى عند انتقال الإشارة من البلورة إلى الوسط والعودة. ونظرًا لسرعة الصوت العالية في الزئبق (1450  م/ث)، كان الوقت اللازم لوصول النبضة إلى الطرف المستقبل أقل مما لو استُخدم وسط أبطأ، كالهواء (343.2  م/ث)، إلا أن ذلك حدّ من إجمالي عدد النبضات التي يمكن تخزينها في أي عمود زئبقي ذي حجم معقول. ومن عيوب الزئبق التقنية الأخرى وزنه وتكلفته وسميته. علاوة على ذلك، وللحصول على تطابق دقيق قدر الإمكان في المقاومة الصوتية، كان لا بد من الحفاظ على الزئبق عند درجة حرارة ثابتة. وقد سخّن النظام الزئبق إلى درجة حرارة موحدة أعلى من درجة حرارة الغرفة تبلغ 40  درجة مئوية (104  درجة فهرنهايت)، مما جعل صيانة الأنابيب عملية شاقة وغير مريحة. ( اقترح آلان تورينج استخدام الجن كوسيط لتأخير الموجات فوق الصوتية، مدعياً ​​أنه يمتلك الخصائص الصوتية اللازمة. [ 5 ] )

تطلّب الحفاظ على إشارة نقية داخل الأنبوب جهدًا هندسيًا كبيرًا. استُخدمت محوّلات طاقة كبيرة لتوليد حزمة صوتية دقيقة جدًا لا تلامس جدران الأنبوب، وكان لا بد من توخي الحذر الشديد للتخلص من الانعكاسات من الطرف البعيد للأنابيب. تطلّبت دقة الحزمة ضبطًا دقيقًا لضمان توجيه محوّلي الطاقة مباشرةً نحو بعضهما البعض. ولأن سرعة الصوت تتغير بتغير درجة الحرارة، سُخّنت الأنابيب في أفران كبيرة للحفاظ على درجة حرارتها عند مستوى دقيق. في المقابل، قامت أنظمة أخرى بضبط معدل ساعة الكمبيوتر وفقًا لدرجة الحرارة المحيطة لتحقيق التأثير نفسه.

بدأ حاسوب EDSAC ، ثاني حاسوب رقمي كامل الحجم يعمل بنظام تخزين البرامج ، العمل بذاكرة سعتها 256 كلمة ، كل كلمة منها 35 بت ، مخزنة في 16 خط تأخير، سعة كل منها 560 بت (تتكون الكلمات في خط التأخير من 36 نبضة، تُستخدم كل نبضة منها كمسافة بين الأرقام المتتالية). [ 6 ] وتم توسيع الذاكرة لاحقًا إلى 512 كلمة بإضافة مجموعة ثانية من 16 خط تأخير. في حاسوب UNIVAC I، كانت سعة خط التأخير الواحد أصغر، حيث كان كل عمود يخزن 120 بت، مما استلزم سبع وحدات ذاكرة كبيرة، كل منها تحتوي على 18 عمودًا، لتكوين مخزن سعة 1000 كلمة. وبالجمع بين دوائر الدعم والمضخمات ، شكل نظام الذاكرة غرفة تخزين مستقلة . بلغ متوسط ​​زمن الوصول حوالي 222 ميكروثانية ، وهو أسرع بكثير من الأنظمة الميكانيكية المستخدمة في الحواسيب السابقة.    

كما استخدم جهاز CSIRAC ، الذي اكتمل في نوفمبر 1949، ذاكرة خط التأخير.

أصدرت بعض أجهزة ذاكرة خط التأخير الزئبقية أصواتًا مسموعة، وُصفت بأنها شبيهة بتمتمة صوت بشري. وقد أدت هذه الخاصية إلى ظهور مصطلح "حوض التمتمة" العامي لهذه الأجهزة.

خطوط تأخير مغناطيسية انفعالية

خط تأخير سلك الالتواء

استخدمت نسخة لاحقة من خط التأخير أسلاكًا فولاذية كوسيط تخزين. صُممت المحولات بتطبيق التأثير المغناطيسي الانضغاطي ؛ حيث وُضعت قطع صغيرة من مادة مغناطيسية انضغاطية، عادةً النيكل ، على طرفي السلك داخل مغناطيس كهربائي . عندما تدخل بتات الحاسوب إلى المغناطيس، ينكمش النيكل أو يتمدد (بحسب القطبية) ويلف طرف السلك. ثم تنتقل الموجة الالتوائية الناتجة عبر السلك تمامًا كما تنتقل الموجة الصوتية عبر عمود الزئبق.

على عكس الموجات الانضغاطية المستخدمة في الأجهزة السابقة، تتميز الموجات الالتوائية بمقاومة أكبر بكثير للمشاكل الناجمة عن العيوب الميكانيكية، لدرجة أنه يمكن لف الأسلاك على شكل لولب فضفاض وتثبيتها على لوحة. وبفضل إمكانية لفها، يمكن أن تكون الأنظمة السلكية طويلة حسب الحاجة، وبالتالي تميل إلى تخزين كميات أكبر بكثير من البيانات لكل وحدة؛ حيث كانت وحدات 1  كيلوبت نموذجية على لوحة مساحتها قدم مربع واحد فقط ( حوالي 30 سم × 30 سم ). بالطبع، هذا يعني أيضًا أن الوقت اللازم للعثور على بت معين كان أطول نوعًا ما أثناء انتقاله عبر السلك، وكانت أوقات الوصول في حدود 500 ميكروثانية نموذجية.  

مخزن خط التأخير 100 ميكروثانية

كانت ذاكرة خط التأخير أقل تكلفة بكثير وأكثر موثوقية لكل بت من القلابات المصنوعة من الصمامات الإلكترونية ، ومع ذلك كانت أسرع بكثير من المرحل ذي القفل . وقد استُخدمت حتى أواخر الستينيات، لا سيما في الأجهزة التجارية مثل LEO I و PB 250 و Highgate Wood Telephone Exchange والعديد من أجهزة Ferranti ووحدة التحكم في العرض IBM 2848. كما استُخدمت ذاكرة خط التأخير لذاكرة الفيديو في المحطات الطرفية المبكرة، حيث كان خط التأخير الواحد يخزن عادةً 4 أسطر من الأحرف (4  أسطر × 40  حرفًا لكل سطر × 6  بتات لكل حرف = 960  بتًا في خط تأخير واحد). كما تم استخدامها بنجاح كبير في العديد من نماذج الآلات الحاسبة الإلكترونية المكتبية المبكرة ، بما في ذلك Friden EC-130 (1964) و EC-132، وآلة Olivetti Programma 101 الحاسبة المكتبية القابلة للبرمجة التي تم طرحها في عام 1965، وآلات Litton Monroe Epic 2000 و 3000 الحاسبة القابلة للبرمجة لعام 1967.

خطوط تأخير كهرضغطية

خط تأخير تناظري فوق صوتي من تلفزيون ملون بنظام PAL ؛ يؤخر إشارة اللون بمقدار 64  ميكروثانية. الشركة المصنعة: VEB ELFEMA ميتفيدا ( ألمانيا الشرقية ) عام 1980

كان الحل المشابه لنظام المغناطيسية الانفعالية هو استخدام خطوط تأخير مصنوعة بالكامل من مادة كهرضغطية ، عادةً الكوارتز. يؤدي التيار المُغذى إلى أحد طرفي البلورة إلى توليد موجة ضغط تنتقل إلى الطرف الآخر، حيث يمكن قراءتها. في الواقع، استبدلت المادة الكهرضغطية الزئبق والمحولات في خط تأخير الزئبق التقليدي بوحدة واحدة تجمع بينهما. مع ذلك، كانت هذه الحلول نادرة نسبيًا؛ إذ لم يكن من السهل إنتاج بلورات بالجودة المطلوبة وبأحجام كبيرة، مما حدّ من استخدامها إلى أحجام صغيرة وبالتالي سعات تخزين بيانات محدودة. [ 7 ]

كان استخدام خطوط التأخير الكهروإجهادية أكثر انتشارًا وفعالية في أجهزة التلفزيون الأوروبية. يقارن معيار PAL الأوروبي للبث الملون الإشارة من سطرين متتاليين في الصورة لتجنب انزياح الألوان الناتج عن انزياحات الطور الطفيفة. وبمقارنة سطرين، أحدهما معكوس، يتم حساب متوسط ​​الانزياح، فتصبح الإشارة الناتجة أقرب إلى الإشارة الأصلية، حتى في وجود تداخل. وللمقارنة بين السطرين،  تُضاف وحدة تأخير كهروإجهادية لتأخير الإشارة لمدة تساوي مدة كل سطر، أي 64 ميكروثانية، في أحد مساري الإشارة المراد مقارنتهما. [ 8 ] ولإنتاج التأخير المطلوب في بلورة ذات حجم مناسب، صُممت وحدة التأخير بحيث تعكس الإشارة عدة مرات عبر البلورة، مما يقلل بشكل كبير من حجم البلورة المطلوب، وبالتالي يُنتج جهازًا صغيرًا مستطيل الشكل.

خطوط تأخير كهربائية

خط تأخير كهربائي (450  نانوثانية)، يتكون من سلك نحاسي مطلي بالمينا، ملفوف حول أنبوب معدني

تُستخدم خطوط التأخير الكهربائية لفترات تأخير قصيرة (من نانوثانية إلى عدة ميكروثانية). وهي تتكون من خط كهربائي طويل أو من ملفات حث ومكثفات منفصلة مرتبة على شكل سلسلة. ولتقليل الطول الإجمالي للخط، يمكن لفه حول أنبوب معدني، مما يزيد من السعة الكهربائية عند التأريض، بالإضافة إلى زيادة الحث نتيجة لتقارب لفات الأسلاك.

ومن الأمثلة الأخرى:

هناك طريقة أخرى لإنشاء زمن تأخير، وهي استخدام خط تأخير في جهاز تخزين الدوائر المتكاملة . يمكن تحقيق ذلك رقميًا أو باستخدام طريقة تناظرية منفصلة الزمن. تعتمد الطريقة التناظرية على أجهزة نقل الشحنة (إما أجهزة نقل الشحنة المتسلسلة أو أجهزة اقتران الشحنة )، التي تنقل الشحنة الكهربائية المخزنة تدريجيًا من طرف إلى آخر. [ 9 ] كلا الطريقتين، الرقمية والتناظرية، محدودتان بعرض نطاق ترددي عند الحد الأعلى إلى نصف تردد الساعة، وهو ما يحدد خطوات النقل.

في الحواسيب الحديثة التي تعمل بسرعات جيجاهرتز، قد تتسبب اختلافات طفيفة في أطوال الموصلات في ناقل البيانات المتوازي في انحراف بتات البيانات، مما قد يؤدي إلى تلف البيانات أو انخفاض أداء المعالجة. ويتم التغلب على هذه المشكلة بجعل جميع مسارات الموصلات متساوية الطول تقريبًا، وذلك بتأخير وقت وصول البيانات التي كانت ستقطع مسافات أقصر لولا ذلك، باستخدام مسارات متعرجة.

خطوط التأخير البصري

في مجال الحوسبة الضوئية ، يمكن استخدام خط التأخير الضوئي بطريقة مشابهة لكيفية استخدام خطوط التأخير الصوتية أو الكهربائية. [ 10 ]

مراجع

  1. ↑ ذاكرة خط تأخير الزئبق بمعدل نبضات ميغاهرتز، في وقائع معهد مهندسي الراديو، المجلد 37، العدد 8، الصفحات 855-861، أغسطس 1949، بقلم جيه بي إيكرت الابن وآخرون.
  2. ↑ كتاب المبتكرين، والتر إيزاكسون، صفحة 101
  3. ↑ براءة اختراع أمريكية رقم 2,629,827 .
  4. ↑ جيه بي إيكرت الابن، مسح لأنظمة ذاكرة الكمبيوتر الرقمية، وقائع معهد مهندسي الراديو، أكتوبر 1953.
  5. ↑ ويلكس، موريس ف. (يناير 1968). "الحواسيب بين الماضي والحاضر" . مجلة ACM . 15 (1): 1-7 . doi : 10.1145/321439.321440 . S2CID 9846847 . 
  6. ↑ ويلكس، إم في؛ رينويك، دبليو. (يوليو 1948). "وحدة ذاكرة فوق صوتية لجهاز EDSAC" (ملف PDF) . الهندسة الإلكترونية . الصفحات 209-210 . 
  7. ↑ ذكريات زجاجية . شركة كورنينج للإلكترونيات. 1963. سعر التجزئة المقترح 8/63 5M.
  8. ↑ باكرز، إف تي (1968). خطوط التأخير فوق الصوتية لنظام التلفزيون الملون PAL (ملف PDF) (أطروحة دكتوراه). أيندهوفن، هولندا: الجامعة التقنية. الصفحات 7-8 . باكرز، ف. ث. (1968). "خط تأخير لأجهزة استقبال التلفزيون الملون بنظام PAL" (ملف PDF) . مجلة فيليبس التقنية . 29 : 243-251 .
  9. ↑ "ريتيكون: ملخص المنتج: أجهزة معالجة الإشارات التناظرية ذات الزمن المتقطع" (ملف PDF) . ريتيكون . مؤرشف (ملف PDF) من الأصل بتاريخ 2022-12-05 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2023-09-07 .
  10. ↑ كيسنر، مايكل؛ ليوناردو ديل بينو؛ باسيلر، فيليكس؛ كاروانا، بيتر؛ غالانوس، جورج (2024). "وحدة معالجة مركزية للأغراض العامة تعمل بالكامل بتقنية بصرية وبنية حاسوبية بصرية". مجلة تكنولوجيا الموجات الضوئية . 42 (22): 7999-8013 . arXiv : 2403.00045 . doi : 10.1109/JLT.2024.3458459 .