Kernspeicher

Der Kernspeicher („magnetic core memory“ oder „ferrite-core memory“) ist eine ursprüngliche Bauform des Arbeitsspeichers von Elektronischen Rechenmaschinen, in welchem Ferritkerne (cores) auf Drähte aufgefädelt werden, die zur Magnetisierung bzw. Entmagnetisierung dienen. Die Polarität des jeweiligen Magnetfelds bestimmt dabei den Speicherzustand der einzelnen Ringe.

Geschichte

kernspeicher1.jpg | kernspeicher2.jpg | Ringkernspeicher.jpg Die ersten Arbeiten führte 1949 der in Shanghai geborene US-amerikanische Physiker An Wang an der Harvard Universität aus. Im Gegensatz zum MIT war Harvard nicht daran interessiert, seine eigenen Erfindungen patentieren zu lassen. Wang erwarb das Patent selbst unter der Bezeichnung pulse transfer controlling device.

Jay Forrester's Gruppe, die am Whirlwind-Projekt am MIT gearbeitet hatte, erfuhr von Wangs Arbeit. Whirlwind brauchte ein schnelles Speichersystem für einen Echtzeit-Flugsimulator. Bisher mussten sie auf Williamsröhren (ein auf Kathodenstrahlröhren basierendes Speichersystem) zurückgreifen, diese waren aber anfällig und unzuverlässig.

Zwei Schlüsselerfindungen führten zur Entwicklung des Kernspeichers, welche erst die Entwicklung der in der heutigen Zeit bekannten Computer erlaubte. Die erste, An Wangs, war der write-after-read Cycle (Schreiben-nach-Lesen-Zyklus), der das Problem löste, dass das Auslesen einer Information dieselbe auch zerstört. Die zweite, Jay Forresters, war das coincident-current system (Zusammenfallende Ströme), welches die Kontrolle einer großen Anzahl von Magnetkernen mit einer kleinen Anzahl von Drähten ermöglichte (siehe unten, Funktionsweise). Kernspeicher wurden manuell hergestellt; die Arbeit wurde unter dem Mikroskop durchgeführt und erforderte feines Fingerspitzengefühl.

In den späten Fünfzigern wurden in Asien Fabriken gebaut, in denen Niedriglohnarbeiter die Kernspeicher herstellten. Die Preise wurden so weit gesenkt, dass sowohl der günstige, aber in der Leistung niedrige Trommelspeicher als auch die teuren Hochleistungs-Systeme mit Elektronenröhren in den frühen Sechzigern abgelöst werden konnten.

Obwohl die Herstellung der Kernspeicher nie automatisiert wurde, folgten die Kosten dem damals unbekannten Mooreschen Gesetz. Die Technologiekosten von anfangs ca. einem Dollar pro Datenbit sanken auf ca. 0,01 Dollar pro Datenbit, als es in den frühen Siebzigern durch die siliziumbasierten RAM abgelöst wurde.

Das Patent Doktor Wangs wurde bis 1955, als die Technologie bereits benutzt wurde, nicht genehmigt. Mehrere Gerichtsverfahren veranlassten IBM, Doktor Wang das Patent für mehrere Millionen Dollar abzukaufen. Wang nutzte das Geld um die Wang Laboratories zu erweitern.

Kernspeicher gehörten zu einer heute weitgehend verdrängten Familie von Technologien, welche sich die magnetischen Eigenschaften von Werkstoffen zu Eigen machte. In den 1950ern waren die Elektronenröhren schon ausgereift, aber dennoch anfällig und wegen der geheizten Glühdrähte kurzlebig, unstabil und im Energieverbrauch zu hoch.

Beschreibung

Funktionsweise

Ein Kernspeicher besteht im Wesentlichen aus einer großen Anzahl von Kernen (Ferrit-Ringen). Jeder Kern speichert genau ein Datenbit, indem er aufgrund der Richtung der Magnetisierung zwischen einer logischen Eins und einer logischen Null unterscheidet. Durch die Löcher der Kerne laufen Drähte. Das durch den elektrischen Strom erzeugte magnetische Feld kann die Magnetisierungsrichtung der Kerne dauerhaft ändern.

Damit nun nicht jeder Kern einen eigenen Draht benötigt, wird folgender Kniff angewendet: Kernspeicher nutzen die physikalische Eigenschaft der Hysterese eines ferromagnetischen Materials. Um die Richtung der Magnetisierung umzukehren, muss ein gewisser Betrag der magnetischen Feldstärke überschritten werden. Dieser Betrag wird nun auf zwei Drähte aufgeteilt, welche je die Hälfte der Stromstärke führen. X-Drähte und Y-Drähte werden in einer Gitterstruktur angeordnet. An jedem Kreuzungspunkt sitzt ein Kern, welcher von einem X-Draht und einem Y-Draht durchzogen wird. Soll nun ein bestimmter Kern angesprochen werden, so wird je die Hälfte der dazu nötigen Feldstärke durch den betreffenden X-Draht, beziehungsweise den betreffenden Y-Draht beigesteuert. Somit „sehen“ andere Kerne entweder nur die Hälfte oder gar keine Feldstärke.

Lesen/Schreiben

Für das Lesen und Schreiben werden zwei weitere Drähte benötigt, welche durch alle Kerne durchgeschlauft werden – Den Abtast-Draht (sense-line) und den Blockier-Draht (inhibit-line).

Grundsätzlich wird immer ein Lese/Schreibzyklus ausgeführt. Im Lesezyklus wird mit den X- und Y-Drähten der entsprechende Kern zur logischen Null hin magnetisiert. Im Schreibzyklus wird der Kern wieder in die Eins – Richtung magnetisiert. Wenn nun der Kern schon vorher eine Null gespeichert hat, passiert im Lesezyklus nichts – bei der Eins hingegen wird auf Grund der Ummagnetisierung ein Puls im Abtast-Draht induziert. Im Falle der vorher gespeicherten Null wird während des Schreibzyklus durch den Blockier-Draht ein Strom in gegensätzlicher Richtung geschickt. Dieser reicht aus, die Feldstärke des X/Y-Drähte soweit abzuschwächen, dass der Kern nicht in die Eins-Richtung ummagnetisiert wird.

Da der Abtast-Draht und der Blockier-Draht nie gleichzeitig benutzt wird, benutzen spätere Systeme bloß einen kombinierten Draht. Eine zusätzliche Steuerung schaltet zwischen den zwei Funktionen um.

Computerprogramme, welche Kernspeicher benutzen, schlagen oft Vorteile aus dem Lese/Schreibzyklus heraus. Zum Beispiel wenn zu einem Datenwort ein Wert dazu addiert wird: Das Datenwort wird gelesen (Lesezyklus). Mit dem Schreibzyklus wird gewartet bis die Addition abgeschlossen ist. So kann die Geschwindigkeit von gewissen Operationen verdoppelt werden.

Physikalische Eigenschaften

Die Geschwindigkeit von Kernspeichern kann verglichen werden mit einer Taktrate von einem MHz (etwa wie die Heimcomputer der frühen 80er, Apple II und Commodore 64). Frühere Systeme hatten Zykluszeiten von ca. 6 µs, sanken auf 1,2 µs in den frühen 70ern und erreichten 0,6 µs in den mittleren 70ern. Datenworte mit 32 Datenbit wurden auf 32 Ebenen (je ein X/Y Gitter) verteilt, somit konnte auf ein ganzes Datenwort in einem Lese/Schreib-Zyklus zugegriffen werden.

Kernspeicher sind nichtflüchtige Speicher – sie erhalten die Information auf unbegrenzte Zeit ohne Strom. Auch sind Kernspeicher relativ unbeeinflusst durch elektromagnetische Impulse und Strahlung. Das sind wichtige Vorteile militärischer Anwendungen wie Kampfflugzeugen, sowie auch Raumfahrzeugen. Mehrere Jahre über die Verfügbarkeit von Halbleitern hinaus wurden Kernspeicher verwendet.

Charakteristisch für Kernspeicher: Sie sind bezogen auf den Strom, nicht auf die Spannung. Der Selektierstrom (half select current) war typischerweise 400 mA für die späten kleineren und schnelleren Speicher. Frühere Speicher brauchten größere Ströme.

Eine weitere Eigenschaft der Kernspeicher ist die Abhängigkeit der Hysterese von der Temperatur. Der Selektierstrom wird von der Steuerung angepasst, der mit Hilfe eines Sensors die Temperatur misst. Der PDP-1 von Digital Equipment Corporation ist ein Beispiel dafür. Andere Systeme umgehen die Temperaturabhängigkeit, indem der Speicher in einem Ofen mit konstantgehaltener Temperatur untergebracht ist. Als Beispiele seien hier der IBM 1620 (der bis zu 30 Minuten brauchte um die Betriebstemperatur von 41 °C zu erreichen) oder der Speicher im geheizten Ölbad des IBM 709 genannt.

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