Трубка Уильямса: Ранняя память компьютера

Введение

Ранняя форма компьютерной памяти

Трубка Уильямса, или трубка Уильямса — Килберна, названная в честь изобретателей Фредди Уильямса и Тома Килберна, является ранней формой компьютерной памяти. Она была первым устройством цифрового хранения с произвольным доступом и успешно использовалась в нескольких первых компьютерах. Трубка Уильямса работает, отображая сетку точек на электронно-лучевой трубке (ЭЛТ). Благодаря принципу работы ЭЛТ, это создает небольшой заряд статического электричества над каждой точкой. Заряд в месте расположения каждой точки считывается тонким металлическим листом, расположенным непосредственно перед экраном. Поскольку изображение со временем выцветало, оно периодически обновлялось. Она работает быстрее, чем более ранние акустические линии задержки, со скоростью электронов внутри вакуумной трубки, а не со скоростью звука. На работу системы негативно влияли близлежащие электрические поля, и для поддержания её работоспособности требовалась частая регулировка. Трубки Уильямса — Килберна в основном использовались в конструкциях высокоскоростных компьютеров. Уильямс и Килберн подали заявки на британские патенты 11 декабря 1946 года и 2 октября 1947 года, за которыми последовали заявки на патенты в США 10 декабря 1947 года и 16 мая 1949 года.

Принцип работы

Трубка Уильямса основана на эффекте, называемом вторичной эмиссией, который возникает в электронно-лучевых трубках (ЭЛТ). Когда электронный луч попадает на люминофор, формирующий поверхность дисплея, он обычно вызывает его свечение. Если энергия пучка превышает определенный порог (зависящий от состава люминофора), это также приводит к выбиванию электронов из люминофора. Эти электроны проходят небольшое расстояние, прежде чем быть притянутыми обратно к поверхности ЭЛТ и падать на нее вблизи первоначальной точки. В результате возникает небольшой положительный заряд в непосредственной близости от луча, где наблюдается дефицит электронов, и небольшой отрицательный заряд вокруг точки, куда приземляются эти электроны. Образующаяся область заряда сохраняется на поверхности трубки в течение доли секунды, пока электроны не вернутся в исходное положение. Вместо того, чтобы разрабатывать память на трубках Уильямса для машины "Baby", сама "Baby" служила испытательным стендом для демонстрации надежности этой памяти. Том Килберн написал 17-строчную программу для вычисления наибольшего собственного делителя чисел размером до 218. Согласно университетской традиции, это была единственная программа, которую когда-либо написал Килберн. Трубки Уильямса со временем становились ненадежными, и большинство рабочих установок требовали ручной настройки. В отличие от них, память на ртутных линиях задержки была медленнее и не обеспечивала произвольный доступ к памяти, поскольку биты представлялись последовательно, что усложняло программирование. Линии задержки также требовали ручной настройки, но старели медленнее и имели определенный успех в ранних цифровых электронных вычислительных машинах, несмотря на их низкую скорость передачи данных, большой вес, высокую стоимость, а также проблемы, связанные с тепловыделением и токсичностью. Manchester Mark 1, использовавший трубки Уильямса, был успешно коммерциализирован как Ferranti Mark 1. Некоторые ранние компьютеры в Соединенных Штатах также использовали трубки Уильямса, включая машину IAS (первоначально разработанную для памяти на трубках Selectron), UNIVAC 1103, IBM 701, IBM 702 и Standards Western Automatic Computer (SWAC). Трубки Уильямса также применялись в советской ЭВМ "Стрела-1" и в японском TAC (Токийский автоматический компьютер).

The Williams tube depends on an effect called secondary emission that occurs on cathode ray tubes (CRTs). When the electron beam strikes the phosphor that forms the display surface, it normally causes it to illuminate. If the beam energy is above a given threshold (depending on the phosphor mix) it also causes electrons to be struck out of the phosphor. These electrons travel a short distance before being attracted back to the CRT surface and falling on it a short distance away. The overall effect is to cause a slight positive charge in the immediate region of the beam where there is a deficit of electrons, and a slight negative charge around the dot where those electrons land. The resulting charge well remains on the surface of the tube for a fraction of a second while the electrons flow back to their original locations. Rather than the Williams tube memory being designed for the Baby, the Baby was a testbed to demonstrate the reliability of the memory. Tom Kilburn wrote a 17 line program to calculate the highest proper factor of numbers as large as 218. Tradition at the university has it that this was the only program Kilburn ever wrote. Williams tubes tended to become unreliable with age, and most working installations had to be hand tuned. By contrast, mercury delay line memory was slower and not random access, as the bits were presented serially, which complicated programming. Delay lines also needed hand tuning, but did not age as badly and enjoyed some success in early digital electronic computing despite their data rate, weight, cost, thermal and toxicity problems. The Manchester Mark 1, which used Williams tubes, was successfully commercialised as the Ferranti Mark 1. Some early computers in the United States also used Williams tubes, including the IAS machine (originally designed for Selectron tube memory), the UNIVAC 1103, IBM 701, IBM 702 and the Standards Western Automatic Computer (SWAC). Williams tubes were also used in the Soviet Strela 1 and in the Japan TAC (Tokyo Automatic Computer).