Historia de la memoria de núcleo de ferrita .

Una memoria de núcleo magnético almacena información en matrices de pequeños anillos de material de ferrita magnetizado llamados núcleos. Cada núcleo almacena un bit de datos que pueden cambiar de uno a un cero, cambiando la polaridad del campo magnético inducido, como se vera a continuacion. Los pulsos eléctricos en los cables roscados a través de la matriz detectan (leen) y cambian la dirección (escritura) de la magnetización de un núcleo específico. La alta velocidad, la confiabilidad mejorada, el acceso aleatorio a cualquier información y el almacenamiento no volátil alentaron la rápida aceptación del núcleo como la tecnología preferida para la memoria principal de la computadora a principios de la década de 1950.

Este documento presenta la historia del desarrollo de esta tecnología, con explicaciones del funcionamiento del sistema realizada por profesionales de esa época, los resultados obtenidos eran muy valiosos ya que funcionaban bien, pero a veces les era difícil explicar el mecanismo físico y muchas de las palabras utilizadas era el resultado de explicarlos en la declaración de patentes.

Frederick W. Viehe presentó una patente de memoria central en 1947, 2,970,291, ELECTRONIC RELAY CIRCUIT, la invención permitia proporcionar un circuito de relé electrónico con un sistema de memoria que  recordaba la última condición previa del sistema después de que el circuito de relé se haya desactivado por cualquier motivo sin recurrir a medios mecánicos, este sistema utilizaba las propiedades magneticas de un material.

An Wang, invención del almacenamiento de núcleos magnéticos.

 El físico de Harvard An Wang en 1949, utilizando las mismas propiedades de un material magnetico, como las utilizadas por Viehe, presento la patente 2,708,722, Pulse Transfer Controlling Devices , tal material magnético tiene dos estados de equilibrio, el punto 6 que representa la densidad de flujo magnético residual positivo, y el punto 8 que representa la densidad de flujo magnético residual negative, a continuacion en este document se presentara la teoria de funcionamiento del sistema, aunque ya se va viendo la utilidad de esta forma de “memoria magnetica” .

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Invención del almacenamiento de núcleos magnéticos.

El 18 de mayo de 1948, dentro de un día o dos de comenzar el trabajo, Aiken le dio el problema de encontrar una manera de registrar y leer información magnéticamente almacenada sin movimiento mecánico. Más tarde, Wang escribió: "Después de luchar con la pregunta durante unas 3 semanas, la solución se me presentó". Estuvo de acuerdo con muchos otros en la entonces pequeña comunidad informática que consideraban el mismo problema, que la mejor forma de almacenar información magnéticamente era magnetizando un toroide o núcleo de material magnético que tenía un fuerte flujo magnético residual. El problema era cómo leer la información almacenada sin destruirla desmagnetizando el núcleo. Un día, mientras caminaba por Harvard Yard, la idea se le ocurrió en un instante, que la destrucción no importaba si, inmediatamente después de leer la información, se reescribía de nuevo en el toroide magnético. Su entrada del cuaderno del 29 de junio de 1948 dice: " Es muy posible que la información permanezca allí en el núcleo en forma de una dirección magnética particular y se transfiera muchas veces antes de que la información se pierda  ". Como dijo más tarde Wang, "la idea es que al destruir la información, lo sé" (Pugh 1984).

Este concepto simple, novedoso y elegante, aplicado a todos las memorias de núcleo magnético que siguieron, que fueron, como dijo Pugh (1984), estas "memorias dieron forma a una industria", fue el mayor logro técnico de Wang. Aunque estos dispositivos ahora se están convirtiendo rápidamente en solo un recuerdo, su importancia para el desarrollo de las computadoras en el período comprendido entre 1950 y 1970 fue solo superada por la de los transistores. De hecho, Pugh (1984) va más allá, diciendo: "El desarrollo de memorias de núcleo de ferrita fiables y de alta velocidad que podrían producirse en serie a bajo costo fue probablemente la innovación más importante que hizo que las computadoras de programas almacenados fueran una realidad práctica y comercial". Fue el concepto de Wang el que puso en marcha este desarrollo.

Jay W. Forrester en MIT ideó una forma diferente de organizar los núcleos. El  esquema de Wang se combino con el de Forrester, y consiste en ordenar los núcleos en una  matriz con cables tendidos para que cada uno pudiera ser seleccionado individualmente (Forrester, 1951). Este sistema, que combina los conceptos de Wang y Forrester y que algunos atribuyen a Haynes, dominó las memorias de las computadoras hasta que los núcleos fueron reemplazados por dispositivos de estado sólido.

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 Jay Forrester del MIT presentaron en 1950 y 1951, respectivamente, junto con otros colaboradores importantes, que incluyen a E. Albers-Schönberg, J. P. Eckert y M. K. Haynes. Liderado por Forrester, en el proyecto informático Whirlwind en el Massachusetts Institute of Technology para un simulador de vuelo en tiempo real de la Armada de EE. UU. Se eeemplazó una memoria electrostática CRT con una matriz de 32 por 32  de 1024 núcleos y demostró sus ventajas por primera vez en agosto de 1953.

 

Anunciado en 1954, la primera unidad central comercial de IBM, Modelo 737, ofreció 4.096 palabras de 36 bits por una tarifa de alquiler de $ 6.100 por mes. Diez años después, el superordenador CDC6600 de Control Data Corporation ofrecía hasta 2 millones de palabras de 60 bits de almacenamiento central ampliado. Una tarea laboriosa, el ensamblaje de los planos de memoria central se convirtió en una de las primeras operaciones electrónicas de fabricación de los EE. UU. En trasladarse a las plantas asiáticas. El costo disminuyó de $ 1.00 a un centavo por bit antes de ser reemplazado por la memoria de semiconductores en la década de 1970

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La fácil disponibilidad de materiales magnéticos con bucles de histéresis rectangulares ha hecho que el almacenamiento en este tipo de medio sea común en todas las computadoras de las decadas de 1950-1960.

Mientras que en principio casi cualquier material ferromagnético, el que se utilizo tiene suficiente histéresis para que sea adecuado para las operaciones como memoria, el uso de tales dispositivos no se convirtió realmente en una ventaja hasta que se utilizo materiales con un B.H rectangular .

Para ilustrar una operación de compuerta simple realizada con la ayuda de un elemento magnético, considere el circuito de la figura 9.21. Un toroide del material magnético se suministra con tres devanados, A, B y D. Si se aplica un impulso de corriente de magnitud suficiente a A, entonces el estado magnético del núcleo se mueve a l, por ejemplo, en la figura 9.22.

Al quitar el pulso en A, el estado magnético del sistema vuelve a r en el que prácticamente toda la energía de entrada, permanece almacenado en el núcleo. Si ahora se aplica un pulso en B, en tal manera de tener el efecto de magnetización inversa como el aplicado en A, el núcleo experimenta un gran cambio de flujo hacia u y se relaja a t y mediante la acción normal del efecto de un transformador, se tendrá un pulso de salida que aparece en D.

Sin embargo, si el pulso inicial en A no se ha aplicado, el pulso en B habría encontrado el núcleo ya en estado t y el resultado seria cambiar a u, , ya que implica poco o ningún cambio en B, el cual produce solo salida insignificante en D.

Una memoria de núcleo magnético utiliza núcleos magnéticos para almacenar información binaria. Un núcleo magnético era un toroide en forma de rosquilla hecho de material magnético.

A diferencia de un flip-flop de semiconductor que solo necesita una cantidad física tal como voltaje para su funcionamiento, un núcleo magnético emplea tres cantidades físicas: corriente, flujo magnético y voltaje. La señal que excita el núcleo es un pulso de corriente en un cable que pasa a través del núcleo. La información binaria almacenada se representa por la dirección del flujo magnético dentro del núcleo. La información binaria de salida se extrae de un cable que une el núcleo en forma de un impulso de tensión. La propiedad física que hace que un núcleo magnético sea adecuado para el almacenamiento binario es su ciclo de histéresis, como se muestra en la figura 8-14 (c). Esta es una gráfica del flujo  magnético y tiene la forma de un bucle cuadrado. Con corriente cero, un flujo que es positivo (sentido antihorario) o negativo (sentido horario) permanece en el núcleo magnetizado. Una dirección, por ejemplo magnetización en sentido antihorario, se usa para representar un 1 y la otra para representar un 0. Un impulso de corriente aplicado al devanado a través del núcleo puede cambiar la dirección de la magnetización. Como se muestra en la figura 8-14 (a), la corriente en la dirección hacia abajo produce flujo en el sentido de las agujas del reloj, lo que hace que el núcleo pase al estado 0. La Fig. 8-15 (b) muestra las direcciones de corriente y flujo para almacenar un 1. La trayectoria que toma el flujo cuando se aplica el impulso  se indica con flechas en el ciclo de histéresis.

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 La siguiente explicacion  fue tomada de Static Magnetic Storage and Delay Line AN WANG AND WAY DONG Woo Computation Laboratory, Harvard University, Cambridge, Massachusetts (Received July 27,1949)

Este documento describe un sistema de almacenamiento que funciona como un sistema electrónico de disparo ( trigger), pero no utiliza tubos de vacío y solo para  un número relativamente pequeño para fines de control. Un dígito binario que toma el valor de "0" o "1" se almacena en un núcleo ferromagnético en forma de magnetismo residual positivo o negativo, dependiendo de la dirección de la última fuerza de magnetización, esto se observa en la figuras anteriores 9.21 y 9.22. Como se muestra en la Fig. 1, un dígito binario está representado por el punto "0" o "1" en la curva de histéresis del núcleo.


Para acumular un digito binario, solo se usa la aplicacion de un pulso de la polaridad apropiada, para producir un cambio magnetico . La lectura de la información almacenada presenta un problema  difícil. Para un pequeño pulso "negativo" de la fuerza de magnetización H, aplicado en el punto "0",  produce un cambio menor  en la densidad de flujo B que para un pulso negativo similar aplicado en el punto "1". Por lo tanto, la amplitud relativa de la tensión inducida indica qué información se ha almacenado en el material.
 Sin embargo, esto es cierto solo para el primer pulso de lectura, ya que después de que se haya leído la información "0", el material vuelve al punto "digito binario 0", mientras que después de que se haya leído la información "digito binario1' ", el material va a un nuevo punto "1' " en lugar de regresar a "1", en palabras de Wang. Otros pulsos negativos de H producen cambios casi iguales de B para las posiciones iniciales "0" y "1' ". Por lo tanto, mientras que las pequeñas  lecturas en realidad no destruyen el magnetismo residual positivo o negativo que representa la información almacenada, hacen que la lectura por pulsos similares sea imposible después de la primera.
Es de notar que esta explicacion refleja las dudas de Wang, esto es debido a que toda esta tecnologia era muy novedosa.

Cuando se aplica un gran pulso de lectura negativo de H, la información se destruye, algo que preocupaba a Wang. El estado del material vuelve a la posición "0" en la curva B-H, independientemente de la información almacenada anteriormente. Sin embargo, el voltaje secundario inducido es mucho mayor cuando B cambia de "1" a "0" que cuando B cambia de "0" a "0". La relación de estos voltajes se encontró que era tan alta como 30: 1 para materiales magnéticos adecuados. El gran voltaje inducido se puede hacer para controlar otro núcleo del estado "0" a "1". Por lo tanto, uno puede construir (1) una unidad de almacenamiento en la que los dígitos pueden almacenarse y leerse continuamente, y (2) una línea de retardo de información en la que se puede propagar una serie de dígitos binarios a  cualquier velocidad deseable hasta aproximadamente treinta mil pulsos de información por segundo.
La siguiente informacion nos una idea del sistema de Wang.

UNA UNIDAD DE ALMACENAMIENTO DE INFORMACIÓN

Dado que la gran tensión inducida secundaria es suficiente para impulsar otro núcleo de tamaño similar a su saturación, hay un medio disponible para transferir la información.Dicha unidad de almacenamiento se muestra en la figura 2. El núcleo 1 y el núcleo 2 están enrollados en tiras de material con un ciclo de histéresis casi rectangular para asegurar que los estados de magnetismo residual, 1 y 0, estén bien definidos y sean estables.Se supone que el estado 1 de magnetismo residual corresponde al flujo en los núcleos en la dirección ascendente, y el estado 0 al flujo en la dirección descendente. 

 En el siguiente dibujo se observa como se transfiere información del núcleo 1 CORE 1 al núcleo 2 CORE 2, los números encima de los pulsos, indica la secuencia, es una representación simbólica de la idea de Wang, primero aparece  el puso de escritura 1, en el bobinado A, que cambia al sistema magnético  a algún estado, que queda guardado en dicho núcleo 1, luego para transferir dicha información al núcleo 2, se aplica el pulso 2 de lectura al bobinado B y esto produce al mismo tiempo  el pulso 3, que sale por el bobinado D y que se aplica a la entrada de escritura del siguiente núcleo 2 , este proceso se puede repetir con el núcleo 2. se dibujo una represtación temporal de la secuencia.




Entonces, cada vez que se almacena un 1 en el Núcleo 1 a través de la bobina de entrada de información escritura, el primer pulso de corriente  cambiará su estado de 1 a O. Esto genera un gran voltaje inducido en la bobina D de enlace y conduce el Núcleo 2 al estado "1". Después de eso, el segundo impulso de corriente, aplicado al bobinado B  cambia este estado "1" nuevamente al Núcleo 1. Por lo tanto, el estado "1" se transfiere entre el Núcleo 1 y el Núcleo 2 cuando los pulsos de corriente se aplican alternativamente. Sin embargo, si ambos núcleos están originalmente en el estado "0", el pulso  no puede cambiar gran parte del flujo del Núcleo 1. La corriente de enlace es muy pequeña, y el Núcleo 2 permanece en el estado "0". La aplicación alternativa de pulsos, que a partir de ahora se denominará pulsos de avance, no producirá ningún cambio en los estados de los núcleos. Esto constituye un almacenamiento de información única, en el cual un dígito binario puede almacenarse indefinidamente y leerse en cualquier momento mediante la aplicación de un par de pulsos de avance.

 Referencias.

1953: Whirlwind computer debuts core memory

Forrester https://patentimages.storage.googleapis.com/ae/c1/e3/aa7456e41cc5c2/US2736880.pdf

[3]  An Wang

 
[4] YouTube Electronics: Magnetic Cores I: Properties 1961 US Army Training Film

[5] Automatic Digital Calculators,by Andrew D. Booth & Kathleen H.V. Booth

Eduardo Ghershman, 23.11.2017