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電子工学および電気通信において、クロスバースイッチ（クロスポイントスイッチ、マトリックススイッチ）は、マトリックス構成で配置されたスイッチの集合です。クロスバースイッチには、相互接続線が交差するパターンを形成する複数の入力線と出力線があり、各交点（マトリックスの要素）にあるスイッチを閉じることで接続を確立できます。元々、クロスバースイッチは、入力および出力パスを提供する交差する金属棒で構成されていました。後の実装では、固体電子工学で同じスイッチングトポロジーが実現されました。クロスバースイッチは、ロータリースイッチ、メモリスイッチ[ 2 ] 、およびクロスオーバースイッチとともに、主要な電話交換アーキテクチャの1つです。
クロスバースイッチは、入力と出力の間に個々のスイッチを組み立てたものです。スイッチはマトリックス状に配置されます。クロスバースイッチにM個の入力とN個の出力がある場合、クロスバーはM × N個の交点（接続可能な場所）を持つマトリックスとなります。各交点にはスイッチがあり、スイッチが閉じているときは、入力の1つが出力の1つに接続されます。クロスバーは、単層のノンブロッキングスイッチです。クロスバースイッチングシステムは、座標スイッチングシステムとも呼ばれます。
クロスバーの集合体を用いることで、複数のレイヤースイッチやブロッキングスイッチを実装できます。ブロッキングスイッチは、複数の入力が同時に接続されるのを防ぎます。ノンブロッキングスイッチは、入力から他の出力への同時接続を可能にします。
クロスバースイッチは、電話や回線交換などの情報処理アプリケーションで一般的に使用されていますが、機械式選別機などのアプリケーションでも使用されています。
クロスバースイッチのマトリックスレイアウトは、データ伝送を可能にする一部の半導体メモリデバイスにも使用されています。ここでは、バーは極めて細い金属線で、スイッチはヒューズリンクです。ヒューズは高電圧で溶断または開放され、低電圧で読み出されます。このようなデバイスは、プログラマブル読み出し専用メモリと呼ばれます。[ 3 ] 2008年のNSTIナノテクノロジー会議では、計算のための論理ゲートの代替として使用される加算回路のナノスケールクロスバー実装について議論した論文が発表されました。[ 4 ]
マトリクスアレイは、現代のフラットパネルディスプレイの基本構造である。薄膜トランジスタ（TF-T）液晶ディスプレイ（LCD）は、各交点にトランジスタを備えているため、構造の一部としてクロスバースイッチを組み込んでいると考えられる。
家庭用および業務用シアターにおけるビデオスイッチングでは、クロスバースイッチ（この用途ではマトリックススイッチと呼ばれることが多い）を使用して、複数のビデオ機器の出力を建物内のすべてのモニターまたはすべての部屋に同時に分配します。一般的な設置では、すべてのビデオソースは機器ラックに配置され、マトリックススイッチの入力として接続されます。
マトリックスの中央制御が実用的な場合、一般的なラックマウント型マトリックススイッチは、入力と出力を手動で接続するためのフロントパネルボタンを備えています。このような使用例としては、多数の番組が同時に表示されるスポーツバーが挙げられます。通常、スポーツバーでは、個別に制御したい各ディスプレイごとに個別のデスクトップボックスを設置します。マトリックススイッチを使用すると、オペレーターは信号を自由にルーティングできるため、視聴する番組の総数をカバーするのに必要なセットトップボックスの数だけで済み、サウンドシステム全体でどの番組の音声も簡単に制御できます。
このようなスイッチは、ハイエンドのホームシアター用途で使用されます。共有されるビデオソースには、セットトップボックスやDVDチェンジャーなどが一般的で、オーディオについても同様の概念が適用されます。出力は各部屋のテレビに配線されます。マトリックススイッチは、AMX、Crestron、Control4などのホームオートメーションコントローラーによってイーサネットまたはRS-232接続を介して制御され、各部屋のユーザーが視聴する機器を選択できるユーザーインターフェースを提供します。実際のユーザーインターフェースはシステムブランドによって異なり、オンスクリーンメニュー、タッチスクリーン、ハンドヘルドリモコンの組み合わせが含まれる場合があります。このシステムは、ユーザーが視聴する部屋で視聴したい番組を選択できるようにするために必要です。そうでなければ、機器ラックまで歩いて行かなければなりません。
衛星テレビ信号の分配に使用される特殊なクロスバースイッチは、マルチスイッチと呼ばれます。
歴史的に、クロスバースイッチは、各入力と出力に関連付けられた金属バーと、各交点にある可動接点を制御する手段で構成されていました。初期のスイッチは、垂直バーと水平バーを接続するために金属ピンまたはプラグを使用していました。20世紀後半になると、機械式クロスバースイッチの使用は減少し、この用語は一般的に長方形のスイッチアレイを指すようになりました。現代のクロスバースイッチは通常、半導体技術で実装されています。重要な新興クラスの光クロスバーは、マイクロ電気機械システム（MEMS）技術で実装されています。
20世紀半ばの電信交換機の一種は、垂直方向と水平方向に並んだ真鍮製の棒の格子で構成され、各交点に穴が開いていた（上の図を参照）。オペレーターは金属製のピンを差し込むことで、電信線同士を接続した。
電話クロスバースイッチは、電話の通話を切り替えるための電気機械装置です。現在クロスバースイッチと呼ばれるものの最初の設計は、1915年にベル社ウェスタン・エレクトリックが開発した座標セレクタでした。制御システムのコストを削減するため、このシステムはリンク方式ではなく、ステップスイッチまたはセレクタ方式に基づいて構成されていました。アメリカではほとんど使用されませんでしたが、スウェーデン政府機関のテレヴェルケットは独自の設計（ウェスタン・エレクトリックのシステムに触発された1919年のゴットヒルフ・ベトゥランダー設計）を製造し、1926年から1980年代のデジタル化まで、小型および中型のA204型スイッチでスウェーデンで使用しました。 1938年から営業サービスを開始したAT&T社の1XBクロスバー交換機で使用されたシステム設計は、ベル電話研究所によって開発され、スウェーデンの設計に触発されたものですが、再発見されたリンク方式に基づいていました。 1945年、スウェーデンのテレビ局Televerketによる同様の設計がスウェーデンに設置され、A204型スイッチの容量増加が可能になった。第二次世界大戦の影響で遅れたものの、米国では1950年代から数百万回線の都市型1XB回線が設置された。
1950 年、スウェーデンのエリクソン社は、国際市場向けに 1XB および A204 システムの独自のバージョンを開発しました。1960 年代初頭、同社のクロスバー交換機の販売台数は、回線数で測定すると、回転式 500 交換システムの販売台数を上回りました。クロスバー交換はすぐに世界中に広まり、米国の大規模設備では、ストロージャー(ステップ バイ ステップ) やパネルシステムなどの以前の設計のほとんどを置き換えました。導入当初は完全に電気機械制御でしたが、徐々に改良されて完全な電子制御と、ショート コードや短縮ダイヤルなどのさまざまな通話機能を備えるようになりました。英国では、プレッシー社がTXKクロスバー交換機を製造しましたが、英国郵政公社によるその普及は他の国よりも遅れて始まり、その後、TXEリード リレーおよび電子交換システムの並行開発によって阻害されたため、タンデム スイッチ交換機としてある程度の成功を収めたものの、多くの顧客接続を得ることはありませんでした。
クロスバースイッチは、x-y フォーマットで配置された2次元接点アレイからなるスイッチングマトリックスを使用します。これらのスイッチングマトリックスは、接点上に配置された一連の水平バーによって操作されます。各選択バーは電磁石によって上下に揺動し、マトリックスの2つのレベルにアクセスできます。2番目の垂直保持バーは、最初のバーに対して直角に配置され（そのため「クロスバー」と呼ばれます）、これも電磁石によって操作されます。選択バーにはバネ仕掛けのワイヤフィンガーが取り付けられており、保持バーがバーの下にある接点を操作できるようになっています。選択電磁石と保持電磁石が順番に動作してバーを動かすと、バネフィンガーの1つが引っかかり、2つのバーが交差する点の下にある接点が閉じられます。これにより、交換機を介した通話経路の設定の一部として、スイッチを介して接続が確立されます。接続が完了すると、選択電磁石は解放され、他のフィンガーを他の接続に使用できるようになります。一方、保持電磁石は通話中ずっと通電状態を維持し、接続を維持します。クロスバー交換インターフェースは、英国ではTXKまたはTXC（電話交換クロスバー）スイッチと呼ばれていた。
しかし、 1960年代のベルシステムタイプBクロスバースイッチが最も多く製造されました。その大部分は200ポイントスイッチで、20本の垂直線と10段の3本のワイヤを備えています。各選択バーには10本のフィンガーがあり、10本の垂直線に割り当てられた10個の回路のいずれかを2つのレベルのいずれかに接続できます。上下に回転できる5本の選択バーは、スイッチングの次の段階への10個のリンクを選択することを意味します。この特定のモデルでは、各クロスポイントに6本のワイヤが接続されています。保持マグネットの隣にある垂直オフノーマル接点は、スイッチの下部に沿って並んでいます。これらは論理機能とメモリ機能を実行し、接続がオンになっている間は保持バーによってアクティブ位置に保持されます。スイッチの側面にある水平オフノーマルは、バタフライマグネットが回転すると水平バーによってアクティブになります。これは、バタフライが通電されるのは接続がセットアップされている間だけなので、このときのみ発生します。
ベルシステムのスイッチの大部分は、平衡ペア回路のチップとリング、および制御用のスリーブリードを含む 3 本のワイヤを接続するように作られていました。多くは 6 本のワイヤを接続し、2 つの独立した回路、4 線回路、またはその他の複雑な接続に使用されました。1970 年代のベルシステムタイプ Cミニチュア クロスバーはこれに似ていましたが、フィンガーが背面から前方に突き出ており、選択バーには移動用のパドルが付いていました。タイプ C の大部分は 12 レベルでしたが、これらはあまり一般的ではない 10 レベルのものでした。SP1スイッチで使用されたノーザン エレクトリックミニバーはこれに似ていましたが、さらに小型でした。同じ時代の ITT ペンタコンタ マルチスイッチは通常 22 本の垂直線、26 レベルの線、6 ～ 12 本のワイヤを備えていました。エリクソン クロスバー スイッチは、垂直線が 5 本しかない場合もありました。
計測用途向けに、James Cunningham, Son and Company [ 5 ] は、電話タイプのクロスバースイッチよりも高速な動作を可能にする物理的に小さな機械部品を備えた、高速で非常に長寿命のクロスバースイッチ[ 6 ]を製造しました。同社のスイッチの多くは、電話クロスバースイッチと同様の機械的なブールAND機能を備えていましたが、他のモデルでは、マトリックス配列で個別のリレー（クロスポイントごとに1つのコイル）を備え、リレー接点を[x]および[y]バスに接続していました。後者のタイプは個別のリレーに相当し、論理AND機能は組み込まれていませんでした。Cunninghamのクロスバースイッチは、ミリボルト信号を処理できる貴金属接点を備えていました。
初期のクロスバー交換機は発信側と着信側に分かれていましたが、後に普及したカナダおよび米国のSP1交換機と5XB交換機は分かれていませんでした。ユーザーが電話機の受話器を取ると、ユーザーの回線リレーを動作させる回線ループが発生し、交換機はユーザーの電話機を発信送信機に接続し、発信送信機はユーザーにダイヤルトーンを返しました。発信送信機はダイヤルされた数字を記録し、発信マーカーに渡しました。発信マーカーは発信トランクを選択し、クロスバー交換機のさまざまな段階を操作して、発信ユーザーをトランクに接続しました。発信マーカーは、トランク通話完了要件（パルスの種類、トランクの抵抗など）と着信側の詳細を送信機に渡して解放しました。送信機はこの情報を着信送信機（同じ交換機または別の交換機のいずれか）に中継しました。この送信側は、終端マーカーを使用して、選択された着信トランクを介して発信者と着信者を接続し、制御リレーセットに着信者の電話に呼び出し信号を送信させ、発信者に呼び出し音を返させた。
クロスバー交換機自体はシンプルな構造でした。交換機の設計では、論理的な意思決定はすべて共通の制御要素に集約され、リレーセットとして非常に高い信頼性を実現していました。設計基準では、40年ごとにわずか2時間の保守点検で済むと規定されており、これは従来の電気機械式システムに比べて大幅な改善でした。交換機の設計コンセプトは段階的なアップグレードに適しており、制御要素は呼出交換要素とは別に交換することができました。クロスバー交換機の最小サイズは比較的大きかったものの、回線容量の大きい都市部では、同等の容量を持つ他の交換機技術よりも設置面積が小さくて済みました。そのため、クロスバー交換機は、より小型で信頼性の高いデジタルシステムに置き換えられる最初の交換機となることが多かったのです。
1XB スイッチから始まり、後期のより一般的な方法はリンク原理に基づいており、スイッチをクロスポイントとして使用していました。各可動接点は、裸線配線によって同じレベルの他の接点に多重化され、しばしばバンジョー配線と呼ばれていました。[ 7 ]次のステージのスイッチの入力の 1 つにあるリンクに接続されていました。スイッチは、レベルまたは垂直の数と同じ数の通話を処理できました。したがって、4 つのステージに 40 台の 10×10 スイッチがある交換機では、100 の会話が進行中でした。リンク原理はより効率的でしたが、スイッチングファブリック全体でアイドル状態のリンクを見つけるために複雑な制御システムが必要でした。
これは、前述のように共通制御を意味していました。すべての数字が記録され、共通制御装置であるマーカーに渡されて、すべての個別の交換機ステージで同時に通話が確立されました。マーカー制御のクロスバーシステムでは、マーカーに非常に脆弱な中央制御装置がありましたが、これは常にマーカーの複製によって保護されていました。大きな利点は、交換機の制御占有時間が1秒以下であり、これは交換機のX軸とY軸のアーマチュアの動作遅延と解放遅延に相当することでした。共通制御の唯一の欠点は、交換機で予測される最大の発信トラフィックレベルに対応できるだけの数字記録装置を用意する必要があることでした。
Plessey TXK 1または5005の設計では、中間的な形式が採用されており、分散ロジックによってスイッチングファブリック全体に明確な経路が示され、その後、すべてが一度に閉じられるようになっていた。
クロスバー交換機は現在、ごく一部の電話ネットワークでのみ営業運転されている。保存されている設備は、ワシントン州シアトルの通信博物館やロンドンの科学博物館などの博物館に収蔵されている。
半導体を用いたクロスバースイッチの実装では、通常、半導体デバイス内部の相互接続線に接続された入力アンプまたはリタイマーのセットが用いられます。同様の相互接続線が出力アンプまたはリタイマーにも接続されています。バーが交差する各交点には、バーを接続するパストランジスタが実装されています。パストランジスタが有効になると、入力が出力に接続されます。
コンピュータ技術の進歩に伴い、クロスバースイッチは、ユニフォームメモリアクセス並列プロセッサ内の様々な処理ユニットをメモリ素子アレイに接続する多段相互接続ネットワークなどのシステムで利用されるようになった。