Hispanopedia Wiki
Articulo de referencia

Memoria de línea de retardo

La memoria de línea de retardo es un tipo de memoria informática , en su mayor parte obsoleta, que se utilizó en algunas de las primeras computadoras digitales y que está reapar...

Hispanopedia WikiContenido en espanolLectura gratuita

La memoria de línea de retardo es un tipo de memoria informática , en su mayor parte obsoleta, que se utilizó en algunas de las primeras computadoras digitales y que está reapareciendo en forma de líneas de retardo ópticas . Al igual que muchas formas modernas de memoria electrónica para computadoras, la memoria de línea de retardo era una memoria actualizable , pero a diferencia de la memoria de acceso aleatorio moderna , la memoria de línea de retardo era de acceso secuencial .

La tecnología de líneas de retardo analógicas se utiliza desde la década de 1920 para retrasar la propagación de señales analógicas. Cuando una línea de retardo se usa como dispositivo de memoria, se conectan un amplificador y un conformador de pulsos entre la salida y la entrada de la línea. Estos dispositivos recirculan las señales de la salida a la entrada, creando un bucle que mantiene la señal mientras haya alimentación eléctrica. El conformador garantiza que los pulsos se mantengan bien formados, eliminando cualquier degradación debida a pérdidas en el medio.

La capacidad de memoria es igual al tiempo de recirculación dividido por el tiempo de transmisión de un bit. Los primeros sistemas de memoria de línea de retardo tenían capacidades de unos pocos miles de bits (aunque el término "bit" no era de uso común en aquel entonces), con tiempos de recirculación medidos en microsegundos . Para leer o escribir una dirección de memoria específica , es necesario esperar a que la señal que representa su valor circule a través de la línea de retardo hasta la electrónica. Por lo tanto, la latencia para leer o escribir cualquier dirección depende del tiempo y de la dirección, pero no supera el tiempo de recirculación.

Descrita de diversas maneras como una invención o desarrollo pionero de William Shockley para la memoria en 1942 mientras trabajaba en Bell Labs , [ 1 ] resultó ser 100 veces más rentable que el competidor electrónico anterior que utilizaba tubos de vacío [ 2 ] y casi igual de rápida. El uso de una línea de retardo para la memoria de una computadora fue desarrollado posteriormente por J. Presper Eckert en el Instituto Tecnológico de Massachusetts en 1944, y adaptado para su uso en computadoras como la EDVAC y la UNIVAC I a partir de 1945.

Eckert y John Mauchly solicitaron una patente para un sistema de memoria de línea de retardo el  31 de octubre de 1947; la patente se emitió en 1953. [ 3 ] Esta patente se centró en las líneas de retardo de mercurio , pero también trató sobre líneas de retardo hechas de cadenas de inductores y condensadores , líneas de retardo magnetostrictivas y líneas de retardo construidas utilizando discos giratorios para transferir datos a un cabezal de lectura en un punto de la circunferencia desde un cabezal de escritura en otro lugar alrededor de la circunferencia.

Génesis en radar

El concepto básico de la línea de retardo se originó en la investigación sobre radares  durante la Segunda Guerra Mundial , como un sistema para reducir el ruido producido por los reflejos del suelo y otros objetos inmóviles.

Un sistema de radar consta principalmente de una antena, un transmisor, un receptor y una pantalla . La antena está conectada al transmisor, que emite un breve pulso de energía de radio antes de desconectarse. A continuación, la antena está conectada al receptor, que amplifica las señales reflejadas y las envía a la pantalla. Los objetos más alejados del radar emiten ecos con mayor retraso que los más cercanos, lo que la pantalla indica visualmente como un "punto" que se puede medir en una escala para determinar la distancia.

Los objetos inmóviles situados a una distancia fija de la antena siempre devuelven una señal tras el mismo retardo. Esto aparecería como un punto fijo en la pantalla, dificultando la detección de otros objetivos en la zona. Los primeros radares simplemente dirigían sus haces lejos del suelo para evitar la mayor parte de esta interferencia. Esta no era una situación ideal; requería una puntería precisa, lo cual resultaba difícil para los radares móviles más pequeños, y no eliminaba otras fuentes de reflexión similares a la interferencia, como las colinas prominentes. En el peor de los casos, permitía que los aviones enemigos que volaban a baja altura pasaran literalmente "por debajo del radar".

Para filtrar objetos estáticos, se compararon dos pulsos y se eliminaron aquellos con el mismo tiempo de retardo. Para ello, la señal enviada desde el receptor a la pantalla se dividió en dos: una vía se dirigió directamente a la pantalla y la otra a una unidad de retardo. El retardo se ajustó cuidadosamente para que fuera un múltiplo del tiempo entre pulsos, o " frecuencia de repetición de pulsos ". Esto provocó que la señal retardada de un pulso anterior saliera de la unidad de retardo al mismo tiempo que la señal de un pulso más reciente se recibía de la antena. Una de las señales se invirtió eléctricamente, generalmente la proveniente de la unidad de retardo, y luego se combinaron y enviaron a la pantalla. Cualquier señal que se encontrara en la misma ubicación se anuló mediante la señal invertida de un pulso anterior, dejando solo los objetos en movimiento en la pantalla.

Se inventaron varios tipos de sistemas de retardo para este propósito, con un principio común: la información se almacenaba acústicamente en un medio. El MIT experimentó con diversos sistemas, incluyendo vidrio, cuarzo, acero y plomo. Los japoneses emplearon un sistema que consistía en un elemento de cuarzo con un recubrimiento de vidrio en polvo que reducía las ondas superficiales que interferían con la recepción adecuada. El Laboratorio de Investigación Naval de los Estados Unidos utilizó varillas de acero enrolladas en forma de hélice, pero esto solo resultó útil para bajas frecuencias inferiores a 1  MHz. Raytheon utilizó una aleación de magnesio desarrollada originalmente para la fabricación de campanas. [ 4 ]

El primer sistema práctico de eliminación de obstáculos basado en este concepto fue desarrollado por J. Presper Eckert en la Escuela de Ingeniería Eléctrica Moore de la Universidad de Pensilvania . Su solución utilizaba una columna de mercurio con transductores de cristal piezoeléctrico (una combinación de altavoz y micrófono) en ambos extremos. Las señales del amplificador de radar se enviaban al transductor de un extremo del tubo, lo que generaba una pequeña onda en el mercurio. Esta onda viajaba rápidamente al otro extremo del tubo, donde el otro transductor la leía, la invertía y la enviaba a la pantalla. Era necesario un montaje mecánico preciso para asegurar que el tiempo de retardo coincidiera con la sincronización entre pulsos del radar utilizado.

Todos estos sistemas eran aptos para su conversión a memoria de ordenador. La clave consistía en restaurar y reciclar las señales para que no desaparecieran tras atravesar el retardo. Esto era relativamente fácil de lograr con componentes electrónicos sencillos.

Líneas de retardo acústico

Líneas de retardo de mercurio

Memoria de mercurio de UNIVAC I (1951)

Tras la guerra, Eckert centró su atención en el desarrollo informático, un tema que despertaba cierto interés en aquel entonces. Uno de los problemas del desarrollo práctico era la falta de un dispositivo de memoria adecuado, y el trabajo de Eckert sobre los retrasos del radar le otorgó una gran ventaja sobre otros investigadores en este sentido.

Para una aplicación informática, la sincronización seguía siendo crucial, pero por una razón diferente. Los ordenadores convencionales requieren un periodo de reloj para completar una operación, que normalmente comienza y termina con la lectura o escritura en la memoria. Por lo tanto, las líneas de retardo debían sincronizarse de forma que los pulsos llegaran al receptor justo cuando el ordenador estuviera listo para leerlos. Muchos pulsos estarían en tránsito a través del retardo, y el ordenador los contaría comparándolos con un reloj maestro para encontrar el bit específico que buscaba.

Diagrama de la línea de retardo de mercurio utilizada en la computadora SEAC.

Se utilizó mercurio debido a que su impedancia acústica es similar a la de los cristales de cuarzo piezoeléctricos ; esto minimizó la pérdida de energía y los ecos durante la transmisión de la señal del cristal al medio y viceversa. La alta velocidad del sonido en el mercurio (1450  m/s) implicaba que el tiempo de espera para que un pulso llegara al receptor era menor que con un medio más lento, como el aire (343,2  m/s), pero también limitaba el número total de pulsos que se podían almacenar en una columna de mercurio de tamaño razonable. Otros inconvenientes técnicos del mercurio incluían su peso, su coste y su toxicidad. Además, para lograr que las impedancias acústicas coincidieran lo mejor posible, el mercurio debía mantenerse a una temperatura constante. El sistema calentaba el mercurio a una temperatura uniforme de 40  °C (104  °F), superior a la temperatura ambiente, lo que hacía que el mantenimiento de los tubos fuera una tarea calurosa e incómoda. ( Alan Turing propuso el uso de la ginebra como medio de retardo ultrasónico, alegando que tenía las propiedades acústicas necesarias. [ 5 ] )

Se requirió una considerable cantidad de ingeniería para mantener una señal limpia dentro del tubo. Se utilizaron transductores de gran tamaño para generar un haz de sonido muy concentrado que no tocara las paredes del tubo, y se tuvo especial cuidado en eliminar los reflejos del extremo opuesto. La concentración del haz exigió un ajuste preciso para asegurar que ambos transductores apuntaran directamente el uno hacia el otro. Dado que la velocidad del sonido varía con la temperatura, los tubos se calentaron en grandes hornos para mantenerlos a una temperatura exacta. Otros sistemas, en cambio, ajustaban la frecuencia del reloj de la computadora según la temperatura ambiente para lograr el mismo efecto.

EDSAC , la segunda computadora digital de programa almacenado a gran escala , comenzó a operar con 256 palabras de memoria de 35 bits , almacenadas en 16 líneas de retardo que contenían 560 bits cada una (las palabras en la línea de retardo estaban compuestas de 36 pulsos, un pulso se usaba como espacio entre números consecutivos). [ 6 ] La memoria se amplió posteriormente a 512 palabras agregando un segundo conjunto de 16 líneas de retardo. En la UNIVAC I, la capacidad de una línea de retardo individual era menor, cada columna almacenaba 120 bits, lo que requería siete grandes unidades de memoria con 18 columnas cada una para formar un almacenamiento de 1000 palabras. Combinado con sus circuitos de soporte y amplificadores , el subsistema de memoria formaba su propia sala de acceso . El tiempo de acceso promedio era de aproximadamente 222 microsegundos , lo que era considerablemente más rápido que los sistemas mecánicos utilizados en computadoras anteriores.    

El CSIRAC , finalizado en noviembre de 1949, también utilizaba memoria de línea de retardo.

Algunos dispositivos de memoria de línea de retardo de mercurio producían sonidos audibles, descritos como similares a un murmullo humano. Esta propiedad dio origen al término coloquial "mumble-tub" (tubo de murmullo) para referirse a estos dispositivos.

Líneas de retardo magnetostrictivas

Línea de retardo de alambre de torsión

Una versión posterior de la línea de retardo utilizaba cables de acero como medio de almacenamiento. Los transductores se construían aplicando el efecto magnetostrictivo : pequeños trozos de un material magnetostrictivo, generalmente níquel , se fijaban a ambos lados del extremo del cable, dentro de un electroimán . Cuando los datos del ordenador entraban en contacto con los imanes, el níquel se contraía o expandía (según la polaridad) y retorcía el extremo del cable. La onda torsional resultante se propagaba a lo largo del cable, al igual que la onda sonora lo hacía a través de la columna de mercurio.

A diferencia de las ondas compresivas utilizadas en dispositivos anteriores, las ondas torsionales son considerablemente más resistentes a los problemas causados ​​por imperfecciones mecánicas, hasta el punto de que los cables podían enrollarse formando una bobina suelta y fijarse a una placa. Gracias a su capacidad de enrollarse, los sistemas basados ​​en cables podían tener la longitud necesaria, por lo que tendían a almacenar muchos más datos por unidad; las unidades de 1  kbit eran típicas en una placa de tan solo 1 pie cuadrado ( ~30 cm × 30 cm ). Por supuesto, esto también significaba que el tiempo necesario para encontrar un bit en particular era algo mayor, ya que viajaba a través del cable, y los tiempos de acceso típicos eran del orden de 500 microsegundos.  

Almacenamiento en línea de retardo de 100 microsegundos

La memoria de línea de retardo era mucho menos costosa y mucho más fiable por bit que los biestables fabricados con tubos , y a la vez mucho más rápida que un relé de enclavamiento . Se utilizó hasta finales de la década de 1960, especialmente en máquinas comerciales como la LEO I , la PB 250 , la central telefónica Highgate Wood , varias máquinas Ferranti y el controlador de pantalla IBM 2848. La memoria de línea de retardo también se utilizó para la memoria de vídeo en los primeros terminales, donde una línea de retardo solía almacenar 4 líneas de caracteres (4  líneas × 40  caracteres por línea × 6  bits por carácter = 960 bits en una línea de retardo). También se utilizó con gran éxito en varios modelos de calculadoras electrónicas  de sobremesa , como la Friden EC-130 (1964) y la EC-132, la calculadora programable de sobremesa Olivetti Programma 101, presentada en 1965, y las calculadoras programables Litton Monroe Epic 2000 y 3000 de 1967.

Líneas de retardo piezoeléctricas

Línea de retardo analógica ultrasónica de un televisor PAL en color; retrasa la señal de color 64  μs. Fabricante: VEB ELFEMA Mittweida ( RDA ) en 1980.

Una solución similar al sistema magnetostrictivo consistía en utilizar líneas de retardo fabricadas completamente con un material piezoeléctrico , generalmente cuarzo. Al aplicar corriente en un extremo del cristal, se generaba una onda de compresión que fluía hacia el otro extremo, donde podía ser leída. En efecto, el material piezoeléctrico simplemente reemplazaba el mercurio y los transductores de una línea de retardo de mercurio convencional con una sola unidad que combinaba ambos. Sin embargo, estas soluciones eran bastante raras; cultivar cristales de la calidad requerida en grandes tamaños no era fácil, lo que limitaba su uso a tamaños pequeños y, por lo tanto, a pequeñas cantidades de almacenamiento de datos. [ 7 ]

Un uso más extendido y eficaz de las líneas de retardo piezoeléctricas se observó en los televisores europeos. El estándar PAL europeo para transmisiones en color compara la señal de dos líneas sucesivas de la imagen para evitar la distorsión del color debida a pequeños desfases. Al comparar dos líneas, una de las cuales está invertida, se promedia el desfase y la señal resultante se ajusta mejor a la señal original, incluso en presencia de interferencias. Para comparar las dos líneas,  se inserta una unidad de retardo piezoeléctrica en una de las dos trayectorias de señal que se comparan, retrasando la señal un tiempo igual a la duración de cada línea (64 μs). [ 8 ] Para producir el retardo necesario en un cristal de tamaño adecuado, la unidad de retardo se diseña para reflejar la señal varias veces a través del cristal, reduciendo así considerablemente el tamaño del cristal y dando como resultado un dispositivo pequeño y rectangular.

Líneas de retardo eléctrico

Línea de retardo eléctrico (450  ns), compuesta por un alambre de cobre esmaltado enrollado alrededor de un tubo metálico.

Las líneas de retardo eléctricas se utilizan para tiempos de retardo cortos (de nanosegundos a microsegundos). Consisten en una línea eléctrica larga o están formadas por inductores y condensadores discretos dispuestos en cadena. Para acortar la longitud total de la línea, se puede enrollar alrededor de un tubo metálico, lo que aumenta la capacitancia con respecto a tierra y también la inductancia debido a la proximidad de los espiras del cable.

Otros ejemplos son:

Otra forma de crear un retardo es implementar una línea de retardo en un dispositivo de almacenamiento de circuito integrado . Esto se puede hacer digitalmente o con un método analógico de tiempo discreto. El método analógico utiliza dispositivos de transferencia de carga (ya sean dispositivos de cadena de cubos o dispositivos de carga acoplada ), que transportan una carga eléctrica almacenada paso a paso de un extremo al otro. [ 9 ] Tanto los métodos digitales como los analógicos tienen un ancho de banda limitado en el extremo superior a la mitad de la frecuencia del reloj, que determina los pasos de transporte.

En los ordenadores modernos que operan a velocidades de gigahercios, las diferencias milimétricas en la longitud de los conductores de un bus de datos paralelo pueden provocar una desviación en los bits de datos, lo que puede causar corrupción de datos o una reducción del rendimiento de procesamiento. Esto se soluciona haciendo que todos los trayectos de los conductores tengan una longitud similar, retrasando el tiempo de llegada de lo que de otro modo serían distancias de viaje más cortas mediante el uso de trazas en zigzag.

Líneas de retardo óptico

En el campo de la computación óptica , una línea de retardo óptica puede utilizarse de forma similar a como se utilizaban las líneas de retardo acústicas o eléctricas. [ 10 ]

Referencias

  1. ↑ Memoria de línea de retardo de mercurio con frecuencia de pulso de megaciclo en Actas del IRE 37 No. 8 pp. 855-861, agosto de 1949 JP Eckert, Jr.; et al.
  2. ↑ Los innovadores (libro) Walter Isaacson, pág. 101
  3. ↑ Patente estadounidense 2,629,827 .
  4. ↑ JP Eckert, Jr., Un estudio de los sistemas de memoria de computadoras digitales, Actas del IRE, octubre de 1953.
  5. ↑ Wilkes, Maurice V. (enero de 1968). "Computers Then and Now" . Journal of the ACM . 15 (1): 1– 7. doi : 10.1145/321439.321440 . S2CID 9846847 . 
  6. ↑ Wilkes, MV; Renwick, W. (julio de 1948). "Una unidad de memoria ultrasónica para el EDSAC" (PDF) . Ingeniería electrónica . págs. 209–210 . 
  7. ↑ Recuerdos de cristal . Corning Electronics. 1963. PVP 8/63 5M.
  8. ↑ Backers, FT (1968). Líneas de retardo ultrasónicas para el sistema de televisión en color PAL (PDF) (Ph.D.). Eindhoven, Países Bajos: Technische Universiteit. pp. 7– ​​8. Backers, F. Th. (1968). "Una línea de retardo para receptores de televisión en color PAL" (PDF) . Philips Technical Review . 29 : 243–251 .
  9. ↑ "RETICON: Resumen del producto: Dispositivos de procesamiento de señales analógicas de tiempo discreto" (PDF) . Reticon . Archivado (PDF) del original el 5 de diciembre de 2022. Consultado el 7 de septiembre de 2023 .
  10. ↑ Kissner, Michael; Leonardo Del Bino; Päsler, Felix; Caruana, Peter; Ghalanos, George (2024). "Una CPU de propósito general totalmente óptica y una arquitectura de computadora óptica". Journal of Lightwave Technology . 42 (22): 7999– 8013. arXiv : 2403.00045 . doi : 10.1109/JLT.2024.3458459 .
  • Memoria de línea de retardo acústico : tiene una imagen de un sistema Ferranti basado en cables aproximadamente a la mitad de la página.
  • Memorias de línea de retardo : contiene un diagrama del transductor magnetostrictivo.
  • Litton Monroe Epic 3000 : muestra detalles de las líneas de retardo de torsión dentro de esta calculadora electrónica de 1967.
  • Memoria magnetostrictiva , todavía utilizada en un museo de informática alemán.
  • Patente estadounidense 2.629.827 "Sistema de memoria", Eckert–Mauchly Computer Corporation , presentada en octubre de 1947, patentada en febrero de 1953.
  • Terminal de visualización con 32 líneas de retardo de TV. Descripción completa.
  • "¿Dónde puedo encontrar información sobre EDSAC?" . El Museo Nacional de la Computación . 13 de septiembre de 2013.Cómo funciona la memoria de línea de retardo de níquel, información sobre su construcción.
  • Línea de retardo de níquel para réplica de EDSAC