ウィリアムズチューブ

ウィリアムズ管、または発明家のフレディ・ウィリアムズとトム・キルバーンにちなんで名付けられたウィリアムズ・キルバーン管は、コンピュータメモリの初期の形式です。^{[1] [2]}これは最初のランダムアクセスデジタルストレージデバイスであり、いくつかの初期のコンピュータでうまく使用されました。^[3]

ウィリアムズ管は、ブラウン管(CRT)上にドットの格子を表示することで機能します。CRT の仕組み上、各ドットに小さな静電気が発生します。各ドットの位置の電荷は、ディスプレイの直前にある薄い金属板によって読み取られます。ディスプレイは時間の経過とともに消えるため、定期的に更新されます。この管は、以前の音響遅延線メモリよりも高速で、音速ではなく真空管内の電子の速度で動作します。このシステムは近くの電界の影響を受け、動作し続けるために頻繁に調整する必要がありました。ウィリアムズ・キルバーン管は、主に高速コンピュータの設計に使用されました。

ウィリアムズとキルバーンは1946年12月11日、^[4]と1947年10月2日^[5]に英国特許を申請し、続いて1947年12月10日、^[6]と1949年5月16日に米国特許を申請した。 ^[7]

ウィリアムズ管は、ブラウン管(CRT)で発生する二次放出と呼ばれる効果を利用しています。電子ビームがディスプレイ表面を形成する蛍光体に当たると、通常は蛍光体が点灯します。ビームエネルギーが所定のしきい値 (蛍光体の混合比による) を超えると、蛍光体から電子が弾き出されます。これらの電子は短い距離を移動した後、CRT 表面に引き戻され、少し離れた場所に落ちます。全体的な効果として、ビームのすぐ近くの電子不足領域にわずかな正電荷が発生し、電子が着地したドットの周囲にわずかな負電荷が発生します。結果として生じた電荷井戸は、電子が元の位置に戻るまで、ほんの一瞬だけ管の表面に残ります。^{[1]寿命は蛍光体の}電気抵抗と井戸のサイズ によって異なります。

電荷ウェルを作成するプロセスは、単一のバイナリ数字、つまりビットを格納するコンピュータ メモリへの書き込み操作として使用されます。正に帯電したドットは、消去するドットのすぐ隣に 2 番目のドットを描くことによって消去されます (電荷ウェルを埋める) (ほとんどのシステムでは、ドットの位置から始まる短いダッシュを描くことでこれを実行し、ダッシュの延長によって開始点に最初に格納された電荷が消去されました)。これが機能したのは、2 番目のドットの周りの負のハローが最初のドットの正の中心を埋めるためです。ドットまたはスペースの集合 (多くの場合、ディスプレイ上の 1 つの水平方向の行) は、コンピュータ ワードを表します。ビーム エネルギーを増やすと、ドットは大きくなり、寿命が長くなりますが、近くのドットが互いに消去されるため、ドット同士の間隔を広げる必要がありました。

ビームエネルギーは、使用可能な寿命を持つドットを生成するのに十分な大きさでなければなりませんでした。これによりメモリ密度に上限が設けられ、各ウィリアムズ管は通常約 256 ～ 2560 ビットのデータを格納できます。

電子ビームは本質的に慣性がなく、ディスプレイ上のどこにでも移動できるため、コンピューターは任意の場所にアクセスでき、ランダム アクセス メモリになります。通常、コンピューターはメモリ アドレスをX と Y のペアとしてドライバー回路に読み込み、次にタイム ベース ジェネレーターをトリガーして、選択された場所をスイープし、通常はフリップフロップとして実装されている内部レジスタから読み取ったり、内部レジスタに書き込んだりします。

メモリの読み取りは、書き込み操作によって生じる二次効果によって行われます。書き込みが行われる短い期間に、蛍光体の電荷の再分配によって電流が発生し、近くの導体に電圧が誘導されます。これは、CRT の表示面のすぐ前に薄い金属シートを置くことで読み取られます。読み取り操作中、ビームは最初にディスプレイ上の選択されたビット位置に書き込みます。以前に書き込まれた位置は既に電子が枯渇しているため、電流は流れず、プレート上に電圧は現れません。これにより、コンピューターはその位置に「1」があったと判断できます。その位置に以前に書き込まれていない場合は、書き込みプロセスによってウェルが作成され、シート上にパルスが読み取られ、「0」を示します。^[1]

メモリ位置を読み取ると、以前そこに電荷井戸があったかどうかに関係なく電荷井戸が生成され、その位置の元の内容が破壊されます。そのため、読み取りの後には必ず再書き込みを行って元のデータを復元する必要があります。一部のシステムでは、CRT 内の 2 番目の電子銃を使用してこれを実現し、もう 1 つの電子銃が次の位置を読み取っている間に、もう 1 つの電子銃が 1 つの位置に書き込みを行うことができました。

ディスプレイは時間の経過とともに消えてしまうため、同じ基本的な方法を使用してディスプレイ全体を定期的にリフレッシュする必要がありました。データは読み取られてすぐに再書き込みされるため、中央処理装置(CPU) が他の操作を実行している間に、この操作は外部回路によって実行できます。このリフレッシュ操作は、最新のシステムの DRAMのメモリ リフレッシュサイクルに似ています。

リフレッシュ プロセスによって同じパターンがディスプレイに繰り返し表示されるため、以前に書き込まれた値を消去する必要がありました。これは通常、ディスプレイの元の位置のすぐ横に書き込むことによって実現されます。この新しい書き込みによって放出された電子は、以前に書き込まれたウェルに落ち込み、それを満たします。元のシステムでは、この効果は小さなダッシュを書き込むことによって生成されていましたが、これはマスター タイマーを変更せずに簡単に実現でき、書き込み電流を少し長くするだけで済みました。結果として得られるパターンは、一連のドットとダッシュでした。より効果的な消去システムについてかなりの研究が行われ、一部のシステムでは焦点外のビームや複雑なパターンが使用されました。

ウィリアムズ管の中には、データを可視化する蛍光体コーティングを施したレーダー型ブラウン管で作られたものもあれば、そのようなコーティングを施さずに作られたものもあった。このコーティングの有無は管の動作には影響せず、管の表面はピックアッププレートで覆われていたため、オペレーターにとっても重要ではなかった。可視出力が必要な場合は、蛍光体コーティングを施したピックアッププレートのない 2 番目の管を蓄積管と並列に接続し、表示装置として使用した。

イギリスのマンチェスター大学で開発され、1948年6月21日に初めてプログラムの実行に成功した世界初の電子式プログラム格納式コンピュータであるマンチェスター・ベイビーのプログラム格納媒体となった。 ^[8]ウィリアムズ管メモリがベイビー用に設計されたのではなく、ベイビーはメモリの信頼性を実証するためのテストベッドであった。 ^{[9] [10]}トム・キルバーンは、 2 ¹⁸までの大きさの数の最大真因数を計算する17命令のプログラムを書いた。大学の言い伝えでは、これがキルバーンが書いた唯一のプログラムであると言われている。^[11]

ウィリアムズ管は経年劣化で信頼性が低下する傾向があり、ほとんどの実用設備は手作業で調整する必要があった。対照的に、水銀遅延線メモリはビットがシリアルで提供されるため速度が遅く、ランダムアクセスができず、プログラミングが複雑だった。遅延線も手作業で調整する必要があったが、経年劣化はそれほどひどくなく、データ速度、重量、コスト、熱、毒性の問題にもかかわらず、初期のデジタル電子計算ではある程度の成功を収めた。ウィリアムズ管を使用したマンチェスター・マーク1は、フェランティ・マーク1として商業化に成功した。米国の初期のコンピュータの中には、IASマシン（もともとセレクトロン管メモリ用に設計された）、UNIVAC 1103、IBM 701、IBM 702、Standards Western Automatic Computer （SWAC）など、ウィリアムズ管を使用したものもあった。ウィリアムズ管は、ソ連のストレラ1や日本のTAC（東京自動計算機）でも使用された。[ ^12]

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  ウィリアムズ・キルバーン管
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  1947年の特許からのウィリアムズ真空管メモリの図
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  SWAC ウィリアムズ チューブ アセンブリ
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  SWAC ウィリアムズ管モジュールの図

• アタナソフ・ベリーコンピュータ–再生コンデンサメモリ と呼ばれるタイプのメモリを使用
• メロン光メモリ

注記

文献

• バシェ、チャールズ J. (1986)。IBMの初期のコンピュータ。MITプレス。ISBN 0-262-02225-7。
• ラヴィントン、サイモン H. (1980)。『初期の英国のコンピューター』。マンチェスター大学出版局。ISBN 0-932376-08-8。
• ランデル、ブライアン(1982)。デジタルコンピュータの起源(第 3 版)。Springer- Verlag。ISBN 0-387-11319-3。

ウィキメディア・コモンズには、ウィリアムズ管に関連するメディアがあります。

• ウィリアムズチューブ
• マンチェスターベイビーとコンピュータメモリの誕生
• RCA 6571 コンピュータ ストレージ チューブ データ シート