La memoria de línea de retardo es una forma de memoria de computadora , ahora obsoleta, que se utilizó en algunas de las primeras computadoras digitales . Como muchas formas modernas de memoria electrónica de computadora, 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 línea de retardo analógico se había utilizado desde la década de 1920 para retrasar la propagación de señales analógicas. Cuando se utiliza una línea de retardo como dispositivo de memoria, se conectan un amplificador y un modelador de pulsos entre la salida de la línea de retardo y la entrada. Estos dispositivos recirculan las señales de la salida a la entrada, creando un bucle que mantiene la señal mientras se aplica energía. El moldeador garantiza que los pulsos permanezcan bien formados, eliminando cualquier degradación debida a pérdidas en el medio.
La capacidad de la memoria es igual al tiempo para transmitir un bit dividido por el tiempo de recirculación. 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 popular en ese momento), con tiempos de recirculación medidos en microsegundos . Para leer o escribir una dirección de memoria particular , es necesario esperar a que la señal que representa su valor circule a través de la línea de retardo hacia la electrónica. Por lo tanto, la latencia para leer o escribir cualquier dirección particular depende del tiempo y la dirección, pero no es mayor que el tiempo de recirculación.
El uso de una línea de retardo para la memoria de una computadora fue inventado por J. Presper Eckert a mediados de la década de 1940 para su uso en computadoras como EDVAC y UNIVAC I. 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. [1] Esta patente se centró en las líneas de retardo de mercurio, pero también analizó las líneas de retardo hechas de cadenas de inductores y condensadores , líneas de retardo magnetoestrictivas y líneas de retardo construidas con 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.
El concepto básico de la línea de retardo se originó con la investigación del radar de la Segunda Guerra Mundial , como un sistema para reducir el desorden causado por los reflejos del suelo y otros objetos "fijos".
Un sistema de radar consta principalmente de una antena, un transmisor, un receptor y una pantalla . La antena está conectada al transmisor, que envía un breve pulso de energía de radio antes de desconectarse nuevamente. Luego, la antena se conecta al receptor, que amplifica las señales reflejadas y las envía a la pantalla. Los objetos más alejados del radar devuelven ecos más tarde que los que están más cerca del radar, lo que la pantalla indica visualmente como un "pitido", que se puede medir con una escala.
Los objetos inmóviles a una distancia fija de la antena siempre devuelven una señal después del mismo retraso. Esto aparecería como un punto fijo en la pantalla, lo que dificultaría la detección de otros objetivos en el área. Los primeros radares simplemente apuntaban sus rayos lejos del suelo para evitar la mayor parte de este "desorden". Ésta no era una situación ideal; requería apuntar con cuidado, lo cual era difícil para radares móviles más pequeños, y no eliminaba otras fuentes de reflejos similares a obstáculos de características como colinas prominentes y, en el peor de los casos, permitiría que los aviones enemigos en vuelo bajo volaran literalmente "por debajo del radar". .
Para filtrar objetos estáticos, se compararon dos pulsos y se eliminaron los retornos con los mismos tiempos de retardo. Para hacer esto, la señal enviada desde el receptor a la pantalla se dividió en dos, con un camino que conducía directamente a la pantalla y el segundo que conducía a una unidad de retardo. El retraso se ajustó cuidadosamente para que fuera un múltiplo del tiempo entre pulsos, o " frecuencia de repetición de pulsos ". Esto dio como resultado que la señal retrasada de un pulso anterior saliera de la unidad de retardo al mismo tiempo que se recibía desde la antena la señal de un pulso más nuevo. Una de las señales se invirtió eléctricamente, normalmente la del retardo, y luego las dos señales se combinaron y enviaron a la pantalla. Cualquier señal que estuviera en el mismo lugar fue anulada por la señal invertida de un pulso anterior, dejando solo los objetos en movimiento en la pantalla.
Para este propósito se inventaron varios tipos diferentes de sistemas de retardo, cuyo principio común era que la información se almacenaba acústicamente en un medio. El MIT experimentó con varios sistemas, incluidos vidrio, cuarzo, acero y plomo. Los japoneses implementaron un sistema que consistía en un elemento de cuarzo con una capa 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 envueltas en una hélice, pero esto sólo era útil para frecuencias bajas por debajo de 1 MHz. Raytheon utilizó una aleación de magnesio desarrollada originalmente para fabricar campanas. [2]
El primer sistema práctico de ordenación basado en este concepto fue desarrollado por J. Presper Eckert en la Escuela Moore de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Pensilvania . Su solución utilizó una columna de mercurio con transductores piezocristalinos (una combinación de altavoz y micrófono) en cada extremo. Las señales del amplificador del radar se enviaban al transductor en un extremo del tubo, lo que generaba una pequeña onda en el mercurio. La onda viajaría rápidamente hasta el otro extremo del tubo, donde el otro transductor la leería, la invertiría y la enviaría a la pantalla. Se necesitaba una cuidadosa disposición mecánica para garantizar que el tiempo de retardo coincidiera con el tiempo entre pulsos del radar que se estaba utilizando.
Todos estos sistemas eran adecuados para su conversión en memoria de computadora. La clave era restaurar y reciclar las señales, para que no desaparecieran después de atravesar el retraso. Esto fue relativamente fácil de arreglar con dispositivos electrónicos simples.
Después de la guerra, Eckert centró su atención en el desarrollo informático, que era un tema de cierto interés en ese momento. Un problema con el desarrollo práctico fue la falta de un dispositivo de memoria adecuado, y el trabajo de Eckert sobre los retrasos del radar le dio una gran ventaja sobre otros investigadores a este respecto.
Para una aplicación informática el momento seguía siendo crítico, pero por una razón diferente. Las computadoras convencionales tienen un período de reloj necesario para completar una operación, que generalmente comienza y termina con la lectura o escritura de la memoria. Por lo tanto, las líneas de retardo debían programarse de manera que los pulsos llegaran al receptor justo cuando la computadora estaba lista para leerlos. Muchos pulsos estarían en vuelo a través del retraso, y la computadora contaría los pulsos comparándolos con un reloj maestro para encontrar el bit particular que estaba buscando.
Se utilizó mercurio porque su impedancia acústica es cercana a la de los cristales de cuarzo piezoeléctricos ; esto minimizó la pérdida de energía y los ecos cuando la señal se transmitía del cristal al medio y viceversa. La alta velocidad del sonido en el mercurio (1450 m/s) significaba que el tiempo necesario para esperar a que llegara un pulso al extremo receptor era menor que el que habría sido con un medio más lento, como el aire (343,2 m/s). , pero también significó que el número total de legumbres que podían almacenarse en cualquier columna de mercurio de tamaño razonable era limitado. Otros inconvenientes técnicos del mercurio incluían su peso, su costo y su toxicidad. Además, para conseguir que las impedancias acústicas coincidieran lo más posible, el mercurio debía mantenerse a una temperatura constante. El sistema calentó el mercurio a una temperatura uniforme superior a la ambiente de 40 °C (104 °F), lo que hizo que el mantenimiento de los tubos fuera un trabajo caliente e incómodo. ( Alan Turing propuso el uso de ginebra como medio de retardo ultrasónico, afirmando que tenía las propiedades acústicas necesarias. [3] )
Se necesitó una considerable cantidad de ingeniería para mantener una señal limpia dentro del tubo. Se utilizaron grandes transductores para generar un haz de sonido muy estrecho que no tocara las paredes del tubo, y hubo que tener cuidado para eliminar los reflejos del otro extremo de los tubos. La estanqueidad del haz requirió entonces un ajuste considerable para garantizar que ambos transductores apuntaran directamente el uno al otro. Dado que la velocidad del sonido cambia con la temperatura, los tubos se calentaron en grandes hornos para mantenerlos a una temperatura precisa. Otros sistemas [ especificar ] en cambio ajustaron la frecuencia del reloj de la computadora de acuerdo con la temperatura ambiente para lograr el mismo efecto.
EDSAC , la segunda computadora digital con programa almacenado a gran escala , comenzó a funcionar con 256 palabras de memoria de 35 bits , almacenadas en 16 líneas de retardo con 560 bits cada una (las palabras en la línea de retardo estaban compuestas por 36 pulsos, un pulso se usaba como un espacio entre números consecutivos). [4] Posteriormente, la memoria se amplió a 512 palabras agregando un segundo conjunto de 16 líneas de retardo. En UNIVAC I , la capacidad de una línea de retardo individual era menor, cada columna almacenaba 120 bits, lo que requería 7 unidades de memoria grandes con 18 columnas cada una para formar un almacén de 1000 palabras. Combinado con sus circuitos de soporte y amplificadores , el subsistema de memoria formaba su propia sala de paso . El tiempo medio de acceso fue de unos 222 microsegundos , considerablemente más rápido que los sistemas mecánicos utilizados en los ordenadores anteriores.
CSIRAC , terminado en noviembre de 1949, también utilizaba memoria de línea de retardo.
Algunos dispositivos de memoria de línea de retardo de mercurio produjeron sonidos audibles, que se describieron como similares a una voz humana murmurando. Esta propiedad dio lugar al término del argot "mumble-tub" para estos dispositivos.
Una versión posterior de la línea de retardo utilizaba cables de acero como medio de almacenamiento. Los transductores se construyeron aplicando el efecto magnetoestrictivo ; Se fijaron pequeños trozos de un material magnetoestrictivo, típicamente níquel , a cada lado del extremo del cable, dentro de un electroimán . Cuando los bits de la computadora ingresaban a los imanes, el níquel se contraía o expandía (según la polaridad) y torcía el extremo del cable. La onda de torsión resultante se movería hacia abajo por el cable tal como lo hizo la onda sonora por la columna de mercurio.
A diferencia de la onda de compresión utilizada en dispositivos anteriores, las ondas de torsión son considerablemente más resistentes a los problemas causados por imperfecciones mecánicas, hasta el punto de que los cables podrían enrollarse en una bobina suelta y fijarse a una tabla. Debido a su capacidad para enrollarse, los sistemas basados en cables podían ser tan largos como fuera necesario, por lo que tendían a contener considerablemente más datos por unidad; Las unidades de 1 kbit eran típicas en una placa de 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 a medida que viajaba a través del cable, y los tiempos de acceso del orden de 500 microsegundos eran típicos.
La memoria de línea de retardo era mucho menos costosa y mucho más confiable por bit que los flip-flops hechos de tubos y, sin embargo, mucho más rápida que un relé de enclavamiento . Se utilizó hasta finales de la década de 1960, especialmente en máquinas comerciales como LEO I , Highgate Wood Telephone Exchange , varias máquinas Ferranti y el IBM 2848 Display Control . La memoria de línea de retardo también se usaba para la memoria de video en los primeros terminales, donde una línea de retardo normalmente almacenaba 4 líneas de caracteres (4 líneas × 40 caracteres por línea × 6 bits por carácter = 960 bits en una línea de retardo). También se utilizaron con mucho éxito en varios modelos de las primeras calculadoras electrónicas de escritorio , incluidas las Friden EC-130 (1964) y EC-132, la calculadora programable de escritorio Olivetti Programma 101 introducida en 1965 y las calculadoras programables Litton Monroe Epic 2000 y 3000. de 1967.
Una solución similar al sistema magnetoestrictivo fue utilizar líneas de retardo hechas enteramente de un material piezoeléctrico , normalmente cuarzo. La corriente alimentada por un extremo del cristal generaría una onda de compresión que fluiría hacia el otro extremo, donde podría leerse. De hecho, el material piezoeléctrico simplemente reemplazó el mercurio y los transductores de una línea de retardo de mercurio convencional con una sola unidad que combina ambos. Sin embargo, estas soluciones fueron bastante raras; No era fácil cultivar cristales de la calidad requerida en tamaños grandes, lo que los limitaba a tamaños pequeños y, por tanto, a pequeñas cantidades de almacenamiento de datos. [5]
Un uso mejor y más extendido de las líneas de retardo piezoeléctricas se produjo en los televisores europeos. El estándar europeo PAL para transmisiones en color compara la señal de dos líneas sucesivas de la imagen para evitar cambios de color debido a pequeños cambios de fase. Al comparar dos líneas, una de las cuales está invertida, se promedia el desplazamiento y la señal resultante se asemeja más a la señal original, incluso en presencia de interferencia. Para comparar las dos líneas, se inserta una unidad de retardo piezoeléctrico para retrasar la señal un tiempo igual a la duración de cada línea, 64 µs, en una de las dos rutas de señal que se comparan. [6] Para producir el retardo requerido en un cristal de tamaño conveniente, la unidad de retardo está diseñada para reflejar la señal varias veces a través del cristal, reduciendo así en gran medida el tamaño requerido del cristal y produciendo así un pequeño formato rectangular. dispositivo.
Las líneas de retardo eléctricas se utilizan para tiempos de retardo más cortos (de nanosegundos a varios microsegundos). Consisten en una larga línea eléctrica o están hechos de inductores y condensadores discretos dispuestos en cadena. Para acortar la longitud total de la línea, se puede enrollar alrededor de un tubo de metal, obteniendo algo más de capacitancia contra tierra y también más inductancia debido a los devanados de los cables, que están muy juntos.
Otros ejemplos son:
Otra forma de crear un tiempo de retraso es implementar una línea de retraso en un dispositivo de almacenamiento de circuito integrado . Esto se puede hacer digitalmente o con un método analógico de tiempo discreto. El analógico utiliza dispositivos de transferencia de carga (ya sean dispositivos de brigada de cubo o dispositivos de carga acoplada ), que transportan una carga eléctrica almacenada de un extremo al otro de forma gradual. [7] Tanto el método digital como el analógico tienen un ancho de banda limitado en el extremo superior a la mitad de la frecuencia del reloj, lo que determina los pasos del transporte.
En las computadoras modernas que operan a velocidades de gigahercios, las diferencias milimétricas en la longitud de los conductores en un bus de datos paralelo pueden causar sesgos en los bits de datos, lo que puede provocar corrupción de datos o reducción del rendimiento del procesamiento. Esto se soluciona haciendo que todas las rutas de los conductores tengan una longitud similar, retrasando el tiempo de llegada en lo que de otro modo serían distancias de viaje más cortas mediante el uso de trazas en zigzag.