Zarys historii nośników informacji. Część pierwsza: wczoraj

Pamięć

Nie można zapomnieć, że w miarę rozwoju komputerów pojawiło się niemal natychmiast zapotrzebowanie na urządzenie, w którym można by przechowywać dane i udostępniać je, zależnie od potrzeb wykonującego się programu. Wprawdzie wszystkie poprzednio opisane urządzenia też można nazwać swego rodzaju pamięcią, ale nie spełniały one podstawowych kryteriów, aby można je było w ten sposób zakwalifikować. Te kryteria to duża szybkość dostępu do danych i możliwość przechowywania jak największej ich ilości. Pierwszą próbą rozwiązania tego problemu była pamięć rdzeniowo-ferrytowa, stworzona w 1950 roku przez Jaya Forrestera. Jest to pamięć komputerowa RAM (ang. Random Access Memory), czyli pamięć o dostępie swobodnym, przechowująca dane w postaci kierunku namagnesowania toroidalnych rdzeni ferrytowych o prostokątnej pętli histerezy. Pamięć ta przechowywała dane przy wyłączonym zasilaniu. Dane były kasowane przy każdym odczycie i ewentualnie niezwłocznie ponownie zapisywane, jeśli trzeba było je przechować w dalszych cyklach pracy. Komórka pamięci ferrytowej zdolna przechować 1 bit składa się z jednego lub (rzadziej) dwóch rdzeni o średnicy ok. 1 mm (od 0,2 do 2 mm), przez które, zależnie od organizacji, przewleczonych jest od dwóch do czterech przewodów: odczytu, zakazu i dwa adresowe. Komórki pamięci połączone są w prostokątne płaty. Każda komórka jest miniaturowym transformatorem z magnesem jako rdzeniem. Kierunek namagnesowania jest przechowywaną wiadomością (namagnesowanie w lewo oznacza 0, w prawo – 1). Przy odczycie komórka pamięci jest zerowana prądem w przewodach adresujących. Przemagnesowaniu rdzenia zawierającego 1 towarzyszy duża zmiana pola magnetycznego, indukująca napięcie w przewodzie odczytu. Przy braku przemagnesowania rdzenia zawierającego 0 zmiana pola jest niewielka. Efekt wzmacnia prostokątna pętla histerezy rdzenia. W szybkich pamięciach sygnał zakłócający ma podobną wartość jak użyteczny od przemagnesowanego rdzenia, ale towarzyszy przedniemu zboczu prądu odczytu, a sygnał od przemagnesowania jest opóźniony. Zapis następuje po wyzerowaniu w czasie odczytu. Polega na namagnesowaniu rdzeni odpowiadających 1 w przeciwnym kierunku do namagnesowania w czasie odczytu. W podstawowej organizacji cykl pracy zawsze składa się z odczytu i następującego bezpośrednio po nim zapisu. W pamięciach z dzielonym cyklem po odczycie pamięć może czekać z zapisem na nową wartość z procesora, podczas gdy inne komórki są odczytywane i zapisywane.

Tak oto doszliśmy do pamięci operacyjnej komputera – czegoś, bez czego współczesny komputer praktycznie staje się bezużyteczny. Na potrzeby komputerów z lat 50.–70. pamięć ferrytowa była wystarczająca, chociaż już wtedy wiadomo było, że „pamięci nigdy nie jest zbyt wiele”, co pozostało aktualne do dzisiaj.

Jest to pamięć magnetyczna o bezpośrednim dostępie. Dane zapisywane i odczytywane były ze ścieżek utworzonych na warstwie magnetycznej naniesionej na bęben z lekkiego materiału niemagnetycznego za pomocą głowic umieszczonych blisko powierzchni wirującego ze stałą prędkością bębna. Liczba ścieżek równa była liczbie głowic. Pojemność takich pamięci sięgała około 0,9 MB, przy czasie dostępu 6–20 ms. Pierwszym komputerem wyposażonym w pamięć bębnową był Ferranti Mark I, wyprodukowany w 1951 roku. Jego pamięć miała pojemność 635 kB.

Pamięć cienkowarstwowa

Zasada działania pamięci cienkowarstwowej wykorzystywała koncepcję pamięci rdzeniowej. Nośnikiem informacji była cienka warstwa materiału magnetycznego (stop żelazowo-niklowy), podzielona na komórki, które tworzyły szachownicę. Każda komórka pełniła rolę rdzenia ferromagnetycznego. Zapis i odczyt odbywał się przez przesyłanie sygnałów elektrycznych do dwóch ścieżek prostopadłych do siebie, umieszczonych w pobliżu warstwy magnetycznej.

Pamięć pęcherzykowa

Pamięć pęcherzykowa jest pamięcią nieulotną, która informację przechowuje w postaci istniejącej lub nieistniejącej domeny magnetycznej (pęcherzyka) w strukturze nośnika. Kierunek pola magnetycznego domeny jest przeciwny niż kierunek pola sąsiadującego z domeną nośnika. Zapis i odczyt odbywał się sekwencyjnie. Namagnesowane pęcherzyki były przesuwane zewnętrznym polem magnetycznym do głowicy zapisująco-odczytującej. Do ich detekcji najczęściej stosowano hallotrony. Przykładową pamięcią tego typu była pamięć Intel Magnetics 7110 o pojemności 1 Mb i średnim czasie dostępu 48 ms.

Pamięć paskowa

IBM w latach 70. opracował pamięć paskową. Nośnikiem informacji był pasek, a właściwie paski taśmy magnetycznej znajdujące się w pojemniku. W celu wykonania operacji zapisu-odczytu jeden z pasków był wyciągany z pojemnika i nawijany na powierzchnię niemagnetycznego bębna napędowego. Zasada działania tej pamięci była właściwie taka sama jak pamięci bębnowej. Łączna pojemność pamięci paskowej IBM 2321 wynosiła 400 MB.

Pamięć akustyczna

Dosyć ciekawą i nietypową pamięcią była pamięć akustyczna. Informacja przechowywana była w postaci fali dźwiękowej w rurce wypełnionej powietrzem lub rtęcią. Fala była przesyłana z jednego końca rurki do drugiego, gdzie umieszczone były transduktory piezoelektryczne, spełniające jednocześnie funkcje mikrofonu i głośnika. Dane z komputera podawano do transduktora, który zamieniał je na fale akustyczne. Fale te odczytywał drugi transduktor, następnie zamieniane były one w cyfrowy sygnał elektryczny i wreszcie przesyłane do komputera. Cykl ten był powtarzany tak długo, jak długo dane miały być pamiętane. Pamięć tego typu umożliwiała przechowanie około kilku tysięcy bitów danych, przy czasie dostępu poniżej 1 ms. Rozwiązanie to szybko porzucono, gdyż powodowało wiele problemów konstrukcyjnych i eksploatacyjnych.

Pamięć ta wyewoluowała z pamięci akustycznej. Rurki wypełnione powietrzem lub rtęcią zostały zastąpione drutami ze stopu niklu, żelaza i tytanu, a transduktory działały na zasadzie zjawiska magnetostrykcyjnego. Jest to zjawisko charakterystyczne dla materiałów ferromagnetycznych i polega na zmianie wymiarów fizycznych materiału pod wpływem pola magnetycznego. Inaczej mówiąc, energia magnetyczna jest zamieniana w energię mechaniczną. Co ciekawe, przemiana ta może zachodzić również w przeciwnym kierunku. Niklowe transduktory łączono z końcami długiego drutu i umieszczano wewnątrz elektromagnesu. Dane sterowały elektromagnesem i powodowały, w zależności od kierunku spolaryzowania elektromagnesu, kurczenie się lub rozszerzanie transduktora. To z kolei powodowało skręcenie drutu, a powstała fala skręcająca przesuwała się wzdłuż drutu do transduktora odbiorczego. Zastosowanie sprzężenia zwrotnego umożliwiało powtórzenie cyklu i utrzymanie informacji. Pojemność pamięci zależała od długości drutu, który mógł być zwijany w zwoje, przez co zajmował mniej miejsca. Standardowa pamięć tego typu miała pojemność 1000 bitów, przy czasie dostępu 0,5 ms.

W drugiej części artykułu opisane zostaną współczesne nośniki danych, jak: RAM, HDD, CD, DVD, pamięci flash i inne.