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遅延線メモリは、初期のデジタルコンピュータの一部で使用されていたコンピュータメモリの一種で、現在ではほとんど使われなくなっていますが、光遅延線という形で再び登場しています。現代の多くの電子コンピュータメモリと同様に、遅延線メモリはリフレッシュ可能なメモリでしたが、現代のランダムアクセスメモリとは異なり、シーケンシャルアクセスでした。
アナログ遅延線技術は、1920年代からアナログ信号の伝搬を遅延させるために用いられてきました。遅延線をメモリデバイスとして使用する場合、遅延線の出力と入力の間に増幅器とパルス整形器が接続されます。これらのデバイスは、出力信号を入力に再循環させ、電源が供給されている間信号を維持するループを形成します。整形器は、伝送媒体における損失による劣化を取り除き、パルスの形状を良好に保ちます。
メモリ容量は、再循環時間を1ビットの送信時間で割った値に等しくなります。初期の遅延線メモリシステムは、数千ビットの容量を持っていました（ただし、当時は「ビット」という用語は一般的ではありませんでした）。再循環時間はマイクロ秒単位で測定されていました。特定のメモリアドレスを読み書きするには、その値を表す信号が遅延線を通って電子回路に循環するのを待つ必要があります。したがって、特定のアドレスを読み書きする際の遅延時間は時間とアドレスに依存しますが、再循環時間を超えることはありません。
遅延線は、1942年にベル研究所に在籍していたウィリアム・ショックレーによってメモリ用に開拓または発明されたと様々に説明されているが[ 1 ] 、真空管を使用した以前の電子的な競合よりも100倍コスト効率が良く[ 2 ]、速度もほぼ同等であった。コンピュータのメモリに遅延線を使用する技術は、1944年にマサチューセッツ工科大学のJ・プレスパー・エッカートによってさらに発展し、 1945年からEDVACやUNIVAC Iなどのコンピュータに採用された。
エッカートとジョン・モークリーは 1947年10月31日に遅延線メモリシステムの特許を申請し、1953年に特許が発行されました。 [ 3 ]この特許は水銀遅延線に焦点を当てていましたが、インダクタとコンデンサの列で構成された遅延線、磁歪遅延線、および回転ディスクを使用して円周上の別の場所にある書き込みヘッドから円周上の1点にある読み取りヘッドにデータを転送する遅延線についても説明しました。
遅延線の基本概念は、 第二次世界大戦中のレーダー研究に端を発しており、地面やその他の静止物体からの反射によるノイズを低減するためのシステムとして開発された。
レーダーシステムは主にアンテナ、送信機、受信機、表示装置から構成されます。アンテナは送信機に接続され、送信機は短い無線エネルギーパルスを発信した後、再び切断します。次にアンテナは受信機に接続され、受信機は反射信号を増幅して表示装置に送信します。レーダーから遠い物体は、レーダーに近い物体よりも遅れて反射波を返し、表示装置はそれを「点滅」として視覚的に表示します。この点滅を目盛りと比較することで、距離を測定できます。
アンテナから一定の距離にある静止物体は、常に同じ遅延時間で信号を反射します。これはディスプレイ上で固定点として表示され、そのエリア内の他の目標の検出を困難にします。初期のレーダーは、この「クラッター」の大部分を避けるために、ビームを地面から遠ざけるようにしていました。しかし、これは理想的な状況ではありませんでした。精密な照準調整が必要で、小型の移動式レーダーでは難しく、目立つ丘などの地形からのクラッターのような反射波も除去できず、最悪の場合、低空飛行する敵機が文字通り「レーダーの下」を通過できてしまう可能性がありました。
静止物体を除去するために、2つのパルスを比較し、遅延時間が同じ戻り信号を除去しました。このために、受信機からディスプレイに送られる信号は2つに分割され、一方はディスプレイに直接、もう一方は遅延ユニットへと送られました。遅延時間は、パルス間の時間、つまり「パルス繰り返し周波数」の倍数になるように慎重に調整されました。これにより、遅延ユニットから前のパルスの遅延信号が出力されるのと同時に、新しいパルスの信号がアンテナから受信されました。信号のうち1つ（通常は遅延からの信号）は電気的に反転され、2つの信号が合成されてディスプレイに送られました。同じ位置にある信号は、前のパルスの反転信号によって打ち消され、ディスプレイ上には動いている物体だけが表示されました。
この目的のためにいくつかの異なるタイプの遅延システムが発明され、共通の原理は情報が媒体に音響的に保存されるというものであった。MITはガラス、石英、鋼鉄、鉛など、多くのシステムで実験を行った。日本は、適切な受信を妨げる表面波を低減する粉末ガラスコーティングを施した石英素子からなるシステムを採用した。米国海軍研究所はらせん状に巻かれた鋼棒を使用したが、これは1MHz以下の低周波数でのみ有効であった 。レイセオンはもともと鐘を作るために開発されたマグネシウム合金を使用した。[ 4 ]
この概念に基づいた最初の実用的なデクラッタリングシステムは、ペンシルベニア大学ムーア電気工学部のJ・プレスパー・エッカートによって開発されました。彼のソリューションは、両端に圧電結晶トランスデューサ（スピーカーとマイクロホンを組み合わせたもの）を備えた水銀柱を使用するものでした。レーダー増幅器からの信号は、チューブの一方の端にあるトランスデューサに送られ、水銀に小さな波を発生させます。この波はすぐにチューブの反対側の端まで伝わり、そこでもう一方のトランスデューサによって読み取られ、反転されてディスプレイに送られます。遅延時間が使用するレーダーのパルス間隔と一致するように、慎重な機械的配置が必要でした。
これらのシステムはすべて、コンピュータのメモリへの変換に適していた。重要なのは、信号が遅延時間を経ても消えないように、信号を復元して再利用することだった。これは、シンプルな電子回路で比較的容易に実現できた。
戦後、エッカートは当時注目を集めていたコンピュータ開発に注力した。実用化における課題の一つは、適切な記憶装置の不足であったが、レーダー遅延に関するエッカートの研究は、この点で他の研究者に対して大きな優位性をもたらした。
コンピュータアプリケーションにおいては、タイミングは依然として重要でしたが、その理由は従来とは異なります。従来のコンピュータでは、処理を完了するために必要なクロック周期があり、通常はメモリの読み書きで開始および終了します。そのため、遅延線は、コンピュータが読み取る準備ができた瞬間にパルスが受信部に到達するようにタイミング調整する必要がありました。遅延時間中は多くのパルスが伝送され、コンピュータはマスタークロックと比較することでパルス数をカウントし、目的のビットを見つけ出します。
水銀が使用されたのは、その音響インピーダンスが圧電水晶のそれに近いため、信号が水晶から媒体へ、そして再び媒体へと伝送される際のエネルギー損失と反響が最小限に抑えられたからである。水銀中の音速が速い（1450 m/s）ため、パルスが受信端に到達するまでの待ち時間は、空気（343.2 m/s）のような遅い媒体の場合よりも短かったが、同時に、適切なサイズの水銀柱に蓄積できるパルスの総数には制限があった。水銀のその他の技術的な欠点としては、重量、コスト、毒性などが挙げられる。さらに、音響インピーダンスをできるだけ一致させるためには、水銀を一定温度に保つ必要があった。このシステムでは、水銀を室温より高い40 ℃（104 °F）に均一に加熱したため、チューブのメンテナンスは高温で不快な作業となった。 （アラン・チューリングは、ジンが超音波遅延媒体として必要な音響特性を備えていると主張し、ジンの使用を提案した。 [ 5 ]）
管内でクリーンな信号を維持するためには、相当なエンジニアリング技術が必要だった。管の壁に触れない非常に狭い音波ビームを生成するために大型のトランスデューサーが使用され、管の遠端からの反射を排除するよう細心の注意が払われた。ビームの狭さを維持するためには、両方のトランスデューサーが互いに直接向き合うように、かなりの調整が必要だった。音速は温度によって変化するため、管は大型オーブンで加熱され、一定の温度に保たれた。他のシステムでは、周囲温度に応じてコンピュータのクロック周波数を調整することで、同様の効果を得ていた。
EDSAC は、2 番目の本格的なプログラム内蔵型デジタルコンピュータで、それぞれ560 ビットを保持する 16 本の遅延線に格納された256 個の 35ビットワードの メモリで動作を開始しました(遅延線のワードは 36 個のパルスで構成され、1 個のパルスは連続する数値間のスペースとして使用されました)。[ 6 ]メモリは後に 16 本の遅延線の追加により 512 ワードに拡張されました。UNIVAC Iでは、個々の遅延線の容量は小さく、各列は 120 ビットを格納し、1000 ワードを格納するには、それぞれ 18 列を持つ 7 つの大きなメモリ ユニットが必要でした。サポート回路とアンプと組み合わせると、メモリ サブシステムは独自のウォークインルームを形成しました。平均アクセス時間は約 222マイクロ秒で、以前のコンピュータで使用されていた機械式システムよりもかなり高速でした。
1949年11月に完成したCSIRACも、遅延線メモリを使用していた。
水銀遅延線メモリデバイスの中には、人間のつぶやきのような可聴音を発するものがあった。この特性から、これらのデバイスは「マンブルタブ」という俗称で呼ばれるようになった。
遅延線の後のバージョンでは、記憶媒体として鋼線が使用されました。トランスデューサは磁歪効果を利用して作られました。電磁石内部で、ワイヤーの両端に、通常はニッケルなどの磁歪材料の小さな断片が取り付けられました。コンピュータからのビットが磁石に入ると、ニッケルは（極性に応じて）収縮または膨張し、ワイヤーの端をねじります。その結果生じるねじれ波は、音波が水銀柱を伝わるのと同じように、ワイヤーを伝わっていきます。
以前のデバイスで使用されていた圧縮波とは異なり、ねじり波は機械的な不完全性による問題に対して非常に耐性が高く、そのためワイヤをゆるくコイル状に巻いて基板に固定することができました。コイル状に巻くことができるため、ワイヤベースのシステムは必要なだけ長くすることができ、単位あたりに保持できるデータ量が大幅に増加しました。1平方フィート（約30cm×30cm ）の基板上では、 1k ビット単位が一般的でした。もちろん、これは特定のビットがワイヤを通過するのに必要な時間がやや長くなることも意味し、アクセス時間は500マイクロ秒程度が一般的でした。
遅延線メモリは、真空管で作られたフリップフロップよりもビットあたりのコストがはるかに低く、信頼性もはるかに高く、しかもラッチングリレーよりもはるかに高速でした。1960年代後半まで使用され、特にLEO I、PB 250、ハイゲートウッド電話交換機、各種フェランティマシン、IBM 2848ディスプレイコントロールなどの商用マシンで使用されました。遅延線メモリは、初期の端末のビデオメモリにも使用され、1つの遅延線に通常4行の文字（4行×1行あたり40文字×1文字あたり6ビット＝1つの遅延線に960ビット）が格納されました。また、 Friden EC-130（1964年）およびEC-132、1965年に発売されたOlivetti Programma 101デスクトッププログラマブル計算機、 1967年のLitton Monroe Epic 2000および3000プログラマブル計算機など、初期のデスクトップ電子計算機のいくつかのモデルでも非常にうまく使用されました。
磁歪システムと同様の解決策として、通常は水晶などの圧電材料のみで構成された遅延線を使用する方法があった。結晶の一端に電流を流すと圧縮波が発生し、それがもう一方の端に流れて読み取られる。実際には、圧電材料は従来の水銀遅延線の水銀と変換器を、両方を組み合わせた単一のユニットに置き換えただけである。しかし、これらの解決策はかなりまれであった。必要な品質の結晶を大きなサイズで成長させるのは容易ではなく、そのためサイズが小さく、データストレージ量も小さく制限されていた。[ 7 ]
圧電遅延線のより優れた、より広範な使用例は、ヨーロッパのテレビ受像機に見られます。ヨーロッパのカラー放送のPAL規格では、小さな位相シフトによる色ずれを避けるために、画像の連続する2つのラインからの信号を比較します。2つのラインを比較し、そのうちの1つを反転させることで、シフトが平均化され、結果として得られる信号は、干渉が存在する場合でも、元の信号により近いものになります。2つのラインを比較するために、 比較される2つの信号経路の1つに、各ラインの持続時間と同じ64μsの時間だけ信号を遅延させる圧電遅延ユニットが挿入されます。[ 8 ]適切なサイズの結晶で必要な遅延を生成するために、遅延ユニットは、結晶を通して信号を複数回反射するように成形され、それによって必要な結晶のサイズが大幅に縮小され、小型の長方形のデバイスが作られます。
電気遅延線は、ナノ秒から数マイクロ秒程度の短い遅延時間で使用されます。これらは長い電気線で構成されているか、または個別のインダクタとコンデンサを直列に接続して作られています。線路の全長を短くするために、金属管に巻き付けることができます。これにより、接地に対する静電容量が増加し、また、巻線が密集しているためインダクタンスも増加します。
その他の例としては、以下のようなものがあります。
遅延時間を生成するもう1つの方法は、集積回路ストレージデバイスに遅延線を実装することです。これはデジタルまたは離散時間アナログ方式で行うことができます。アナログ方式では、電荷転送デバイス（バケットブリゲードデバイスまたは電荷結合デバイス）を使用し、蓄積された電荷を一方の端から他方の端まで段階的に転送します。[ 9 ]デジタル方式とアナログ方式の両方で、帯域幅は上限でクロック周波数の半分に制限され、転送のステップが決まります。
ギガヘルツの速度で動作する現代のコンピュータでは、並列データバス内の導体の長さが数ミリメートル異なるだけで、データビットのずれが生じ、データの破損や処理性能の低下につながる可能性があります。この問題を解決するために、すべての導体経路の長さをほぼ同じにし、ジグザグ状の配線を用いることで、本来であれば短い伝送距離となるはずのデータの到達時間を遅延させます。
光コンピューティングの分野では、光遅延線は音響遅延線や電気遅延線と同様の方法で使用できます。[ 10 ]