أنبوب سيلكترون
| أنواع ذاكرة الكمبيوتر وتخزين البيانات |
|---|
| Volatile |
| Non-volatile |
كان جهاز سيلكترون شكلاً مبكراً من أشكال ذاكرة الكمبيوتر الرقمية التي طورها جان إيه راجخمان ومجموعته في شركة راديو أمريكا (RCA) تحت إشراف فلاديمير ك. زوريكين . كان عبارة عن أنبوب مفرغ من الهواء يخزن البيانات الرقمية كشحنات كهروستاتيكية باستخدام تقنية مماثلة لجهاز تخزين أنبوب ويليامز . لم يتمكن الفريق مطلقًا من إنتاج شكل قابل للتطبيق تجاريًا من جهاز سيلكترون قبل أن تصبح الذاكرة ذات النواة المغناطيسية عالمية تقريبًا.
تطوير
بدأ تطوير سيلكترون في عام 1946 بناءً على طلب جون فون نيومان من معهد الدراسات المتقدمة ، [1] الذي كان في خضم تصميم جهاز IAS وكان يبحث عن شكل جديد للذاكرة عالية السرعة.
كان مفهوم التصميم الأصلي لشركة RCA بسعة 4096 بت ، مع إنتاج مخطط لـ 200 بت بحلول نهاية عام 1946. ووجدوا أن الجهاز أصعب بكثير في البناء مما كان متوقعًا، ولم يكن متاحًا بحلول منتصف عام 1948. ومع استمرار التطوير، اضطرت آلة IAS إلى التحول إلى أنابيب ويليامز للتخزين، واختفى العميل الأساسي لشركة Selectron. فقدت شركة RCA اهتمامها بالتصميم وكلفت مهندسيها بتحسين أجهزة التلفزيون [2]
أدى عقد من القوات الجوية الأمريكية إلى إعادة فحص الجهاز في شكل 256 بت. استفادت شركة Rand Corporation من هذا المشروع لتحويل جهاز IAS الخاص بها، JOHNNIAC ، إلى هذا الإصدار الجديد من Selectron، باستخدام 80 منها لتوفير 512 كلمة من 40 بت من الذاكرة الرئيسية. لقد وقعوا عقد تطوير مع RCA لإنتاج ما يكفي من الأنابيب لجهازهم بتكلفة متوقعة تبلغ 500 دولار لكل أنبوب (6332 دولارًا في عام 2023). [2]
وفي ذلك الوقت، أبدت شركة آي بي إم اهتمامها بجهاز سيلكترون أيضًا، لكن هذا لم يؤد إلى زيادة الإنتاج. ونتيجة لذلك، عيَّنت شركة آر سي إيه مهندسيها لتطوير أجهزة التلفاز الملون ، ووضعت جهاز سيلكترون في أيدي "حماة اثنين من الموظفين المستحقين (رئيس مجلس الإدارة والرئيس)". [2]
في أوائل الخمسينيات من القرن العشرين، حلت ذاكرة النواة المغناطيسية المدمجة والفعّالة من حيث التكلفة محل كل من أنبوب Selectron وأنبوب Williams في السوق. وقد قرر مطورو JOHNNIAC التحول إلى النواة حتى قبل اكتمال أول إصدار قائم على Selectron. [2]
مبدأ التشغيل
تخزين الكهرباء الساكنة
كان أنبوب ويليامز مثالاً لفئة عامة من أجهزة أنبوب أشعة الكاثود (CRT) المعروفة باسم أنابيب التخزين .
الوظيفة الأساسية لأنابيب الأشعة المهبطية التقليدية هي عرض صورة عن طريق إضاءة الفوسفور باستخدام شعاع من الإلكترونات يتم إطلاقه عليها من مسدس إلكتروني في الجزء الخلفي من الأنبوب. يتم توجيه نقطة الهدف للشعاع حول مقدمة الأنبوب من خلال استخدام مغناطيسات الانحراف أو الألواح الكهروستاتيكية .
كانت أنابيب التخزين تعتمد على أنابيب أشعة الكاثود، وأحيانًا كانت غير معدلة. واعتمدت على مبدأين غير مرغوب فيهما عادةً للفوسفور المستخدم في الأنابيب. الأول هو أنه عندما تصطدم الإلكترونات من مسدس الإلكترونات في أنابيب أشعة الكاثود بالفوسفور لإشعاله، فإن بعض الإلكترونات "تلتصق" بالأنبوب وتتسبب في تراكم شحنة كهربائية ساكنة موضعية . عارضت هذه الشحنة أي إلكترونات مستقبلية تتدفق إلى تلك المنطقة من المسدس، وتسببت في اختلافات في السطوع. والثاني هو أن الفوسفور، مثل العديد من المواد، أطلق أيضًا إلكترونات جديدة عندما ضربته حزمة من الإلكترونات، وهي عملية تُعرف باسم الانبعاث الثانوي . [3]
كان للانبعاث الثانوي ميزة مفيدة وهي أن معدل إطلاق الإلكترونات كان غير خطي بشكل كبير. عندما تم تطبيق جهد يتجاوز عتبة معينة، زاد معدل الانبعاث بشكل كبير. تسبب هذا في تحلل البقعة المضيئة بسرعة، مما تسبب أيضًا في إطلاق أي الإلكترونات العالقة أيضًا. استخدمت الأنظمة المرئية هذه العملية لمحو الشاشة، مما تسبب في تلاشي أي نمط مخزن بسرعة. بالنسبة لاستخدامات الكمبيوتر، كان الإطلاق السريع للشحنة العالقة هو الذي سمح باستخدامها للتخزين. [4]
في أنبوب ويليامز، يتم استخدام مسدس الإلكترون الموجود في الجزء الخلفي من أنبوب أشعة الكاثود النموذجي لترسيب سلسلة من الأنماط الصغيرة التي تمثل 1 أو 0 على الفوسفور في شبكة تمثل عناوين الذاكرة . لقراءة العرض، مسح الشعاع الأنبوب مرة أخرى، هذه المرة تم ضبطه على جهد قريب جدًا من عتبة الانبعاث الثانوي. تم اختيار الأنماط لتحيز الأنبوب بشكل طفيف جدًا موجبًا أو سالبًا. عندما تمت إضافة الكهرباء الساكنة المخزنة إلى جهد الشعاع، فإن الجهد الإجمالي إما أن يتجاوز عتبة الانبعاث الثانوي أو لا يتجاوزها. إذا تجاوز العتبة، يتم إطلاق دفعة من الإلكترونات مع تحلل النقطة. تمت قراءة هذه الدفعة بشكل سعوي على لوحة معدنية موضوعة أمام جانب العرض من الأنبوب. [4]
كانت هناك أربع فئات عامة من أنابيب التخزين؛ "نوع إعادة توزيع السطح" الذي يمثله أنبوب ويليامز، ونظام "شبكة الحاجز"، الذي تم تسويقه تجاريًا دون جدوى من قبل شركة RCA باسم أنبوب راديتشون، ونوع "إمكانات الالتصاق" الذي لم يستخدم تجاريًا، ومفهوم "شعاع التثبيت"، والذي يعد أنبوب سيليكترون مثالًا محددًا له. [5]
مفهوم شعاع الحامل
في أبسط أشكال التنفيذ، يستخدم أنبوب الشعاع الحامل ثلاثة مدافع إلكترونية؛ واحدة للكتابة، وأخرى للقراءة، و"مدفع حامل" ثالث يحافظ على النمط. والعملية العامة تشبه إلى حد كبير أنبوب ويليامز من حيث المفهوم. وكان الاختلاف الرئيسي هو المدفع الحامل، الذي يطلق النار باستمرار وبصورة غير مركزة بحيث يغطي منطقة التخزين بالكامل على الفوسفور. وقد تسبب هذا في شحن الفوسفور باستمرار إلى جهد محدد، أقل إلى حد ما من عتبة الانبعاث الثانوي. [6]
كان يتم الكتابة بإطلاق مسدس الكتابة بجهد منخفض بطريقة مشابهة لأنبوب ويليامز، مما يضيف جهدًا إضافيًا إلى الفوسفور. وبالتالي كان نمط التخزين هو الفرق الطفيف بين جهدين مخزنين على الأنبوب، وعادة ما يكون الفرق بضع عشرات من الفولتات فقط. [6] وبالمقارنة، استخدم أنبوب ويليامز جهدًا أعلى بكثير، مما أدى إلى إنتاج نمط لا يمكن تخزينه إلا لفترة قصيرة قبل أن يتحلل إلى ما دون قابلية القراءة.
تم إنجاز القراءة عن طريق مسح مسدس القراءة عبر منطقة التخزين. تم ضبط هذا المسدس على جهد من شأنه أن يتجاوز عتبة الانبعاث الثانوي للشاشة بأكملها. إذا كانت المنطقة الممسوحة ضوئيًا تحمل جهد مسدس التثبيت، فسيتم إطلاق عدد معين من الإلكترونات، وإذا كانت تحمل جهد مسدس الكتابة، فسيكون العدد أعلى. تمت قراءة الإلكترونات على شبكة من الأسلاك الدقيقة الموضوعة خلف الشاشة، مما يجعل النظام مكتفيًا ذاتيًا بالكامل. على النقيض من ذلك، كانت لوحة قراءة أنبوب ويليامز أمام الأنبوب، وتتطلب تعديلًا ميكانيكيًا مستمرًا للعمل بشكل صحيح. [6] كانت الشبكة تتمتع أيضًا بميزة تقسيم الشاشة إلى نقاط فردية دون الحاجة إلى التركيز الضيق لنظام ويليامز.
كان التشغيل العام مماثلاً لنظام ويليامز، لكن مفهوم التثبيت كان له ميزتان رئيسيتان. كانت إحداهما أنه كان يعمل عند فروق جهد أقل بكثير وبالتالي كان قادرًا على تخزين البيانات بأمان لفترة أطول من الزمن. وكانت الميزة الأخرى أنه يمكن إرسال نفس محركات المغناطيس الانحرافية إلى العديد من مدافع الإلكترون لإنتاج جهاز واحد أكبر دون زيادة في تعقيد الإلكترونيات.
تصميم
قام جهاز Selectron بتعديل مفهوم المسدس الأساسي من خلال استخدام فتحات معدنية فردية تم استخدامها لتخزين الشحنة الإضافية بطريقة أكثر قابلية للتنبؤ وطويلة الأمد.
على عكس أنابيب أشعة الكاثود حيث يكون مسدس الإلكترونات عبارة عن مصدر نقطة واحد يتكون من خيط ومسرع مشحون واحد، في جهاز سيلكترون يكون "المسدس" عبارة عن صفيحة والمسرع عبارة عن شبكة من الأسلاك (وبالتالي استعارة بعض ملاحظات التصميم من أنبوب الشبكة الحاجزة). تسمح دوائر التبديل بتطبيق الفولتية على الأسلاك لتشغيلها أو إيقاف تشغيلها. عندما يطلق المسدس من خلال الثقوب، فإنه يفقد تركيزه قليلاً. تصطدم بعض الإلكترونات بالثقب وترسب شحنة عليه.
كان جهاز سيليكترون الأصلي 4096 بت [7] عبارة عن أنبوب مفرغ بطول 10 بوصات (250 مم) وقطر 3 بوصات (76 مم) مُهيأ بحيث يكون 1024 × 4 بتات. كان به كاثود مسخن بشكل غير مباشر يمتد في المنتصف، محاطًا بمجموعتين منفصلتين من الأسلاك - واحدة شعاعية وأخرى محورية - تشكلان مجموعة شبكية أسطوانية، وأخيرًا طلاء مادة تخزين عازلة على الجانب الداخلي لأربعة أجزاء من أسطوانة معدنية مغلقة، تسمى لوحات الإشارة . تم تخزين البتات كمناطق منفصلة من الشحنة على الأسطح الملساء للوحات الإشارة.
كانت مجموعتا الأسلاك الشبكية المتعامدة "متحيزتين" بشكل طبيعي إلى حد ما بشكل إيجابي، بحيث تتسارع الإلكترونات من الكاثود عبر الشبكة للوصول إلى العازل. سمح التدفق المستمر للإلكترونات بتجديد الشحنة المخزنة باستمرار عن طريق الانبعاث الثانوي للإلكترونات. لاختيار بت للقراءة منه أو الكتابة إليه، كانت جميع الأسلاك المجاورة في كل من الشبكتين متحيزة إلى حد سلبي، مما يسمح للتيار بالتدفق إلى العازل في مكان واحد فقط.
في هذا الصدد، يعمل جهاز سيلكترون بالمعنى المعاكس لأنبوب ويليامز. ففي أنبوب ويليامز، يستمر الشعاع في المسح في دورة قراءة/كتابة تُستخدم أيضًا لتجديد البيانات. وعلى النقيض من ذلك، يعمل جهاز سيلكترون دائمًا تقريبًا على تجديد الأنبوب بالكامل، ولا يكسره إلا بشكل دوري للقيام بعمليات قراءة وكتابة فعلية. وهذا لم يجعل التشغيل أسرع فقط بسبب عدم وجود فترات توقف مطلوبة، بل يعني أيضًا أن البيانات كانت أكثر موثوقية لأنها كانت تُحدَّث باستمرار.
كان يتم الكتابة باختيار بت، كما هو موضح أعلاه، ثم إرسال نبضة من الجهد، سواء كان موجبًا أو سالبًا، إلى لوحة الإشارة. وباختيار بت، يتم سحب الإلكترونات إلى (بجهد موجب) أو دفعها بعيدًا (بجهد سالب) عن العازل. وعندما يتم إسقاط التحيز على الشبكة، يتم حبس الإلكترونات على العازل كبقعة من الكهرباء الساكنة.
لقراءة البيانات من الجهاز، تم اختيار موقع بت وإرسال نبضة من الكاثود. إذا كان العازل الخاص بهذا البت يحتوي على شحنة، فسيتم دفع الإلكترونات بعيدًا عن العازل وقراءتها كنبضة قصيرة من التيار في لوحة الإشارة. عدم وجود مثل هذه النبضة يعني أن العازل لا يجب أن يكون محملاً بشحنة.
كان جهاز "الإنتاج" ذو السعة الأصغر 256 بت (128 × 2 بت) [8] في غلاف أنبوب مفرغ مماثل. وقد تم بناؤه بمصفوفتين تخزينيتين من "الفتحات" المنفصلة على لوحة مستطيلة، مفصولة بصف من ثمانية كاثودات. تم تقليل عدد الدبابيس من 44 لجهاز 4096 بت إلى 31 دبوسًا وموصلي إخراج إشارة محوريين. تضمن هذا الإصدار فوسفورًا أخضر مرئيًا في كل فتحة [ بحاجة لمصدر ] بحيث يمكن أيضًا قراءة حالة البت بالعين.
براءات الاختراع
- براءة اختراع أمريكية رقم 2,494,670 ، سيلكترون أسطواني 4096 بت
- براءة اختراع أمريكية رقم 2,604,606 ، جهاز سيلكترون مستوي 256 بت
مراجع
الاستشهادات
- ^ Metropolis N, Rajchman, JA (1980) Early Research on Computers at RCA A History of Computing in the Twentieth Century pp 465-469, ISBN 0-12-491650-3
- ^ abcd Greuenberger JF (1968) تاريخ جونياك ص 25-27
- ^ نول وكازان 1952، ص 1.
- ^ ab Eckert 1998، ص 19-20.
- ^ إيكرت 1998، ص 18.
- ^ abc Eckert 1998، ص 21.
- ^ Rajchman, JA (1947). "The Selectron - A Tube for Selective Electrostatic Storage" (PDF) . Mathematical Tables and Other Aids to Computation . 2 (20): 359–361. doi :10.2307/2002239. JSTOR 2002239.
- ^ Rajchman, JA (1951). "أنبوب التخزين الكهروستاتيكي الانتقائي". RCA Review . 12 (1): 53–97.
فهرس
- إيكرت جونيور، ج. بريسبر (أكتوبر 1953). "دراسة استقصائية لأنظمة ذاكرة الكمبيوتر الرقمية" (PDF) . وقائع مؤتمر IRE . 41 (10): 1393–1406. doi :10.1109/jrproc.1953.274316. S2CID 8564797. مؤرشف من الأصل (PDF) في 12 أغسطس 2017.أعيد نشره في مجلة IEEE Annals of the History of Computing ، المجلد 20 العدد 4 (أكتوبر 1988)، ص 11-28 doi :10.1109/85.728227
- نول، ماكس؛ كازان، ب. (1952). أنابيب التخزين ومبادئها الأساسية (PDF) . جون وايلي وأولاده.
روابط خارجية
- السيليكترون
- عرض الأجهزة المبكرة: الذكريات — تحتوي على صورة لجهاز Selectron 256 بت في منتصف الصفحة تقريبًا
- المزيد من الصور
- تاريخ RCA Selectron
