Jak se počítače naučily pamatovat: díky trojici Eckert, Williams a Kilburn

  • Paměť je základem počítače, zpočátku jejich vývoj ale docela brzdila
  • Průkopníci hledali řešení v relé, elektronkách a zpožďovacích trubicích
  • Pak přišel revoluční nápad využít k pamatování CRT obrazovky
Kapitoly článku

Za objev prvních použitelných počítačových pamětí, jakkoliv byl jejich princip z dnešního hlediska poněkud kuriózní, vděčíme druhé světové válce a především radaru, který byl v předválečném období horečně vyvíjen a zlepšován. Válka zkrátka významně urychlila vývoj elektroniky a tedy i počítačů a pamětí.

Paměť, brzda prvních počítačů

První monstrózní počítače, jako byl slavný Harward Mark I nebo Eniac, měly jedno společné – program nebyl uložen v paměti, ale buď na děrné pásce, nebo byl realizován propojováním logických modulů. Velice záhy se ukázalo, že toto je zásadní problém, který zpomaluje rychlost výpočtů.

Klepněte pro větší obrázek
ENIAC. První univerzální elektronický počítač

Počítače samozřejmě nějakou tu paměť pro výsledky průběžných výpočtů měly. K její realizaci ale byly použity tehdy dostupná řešení – elektromagnetická relé a elektronky. Relé byla sice levná a relativně spolehlivá, ovšem pomalá, zato elektronky byly pro změnu velice drahé a rychlé, nicméně nespolehlivé. Vytvořit z takovýchto prvků paměť o nějaké smysluplnější velikosti bylo nemyslitelné. Problém musel být vyřešen jinak.

Jak vlastně takovou paměť vytvořit? Když pomineme jednoduchý princip spočívající v zapojení obvodů z elektromagnetických relé či klopných obvodů, kdy si každý takový obvod pamatoval 1 bit, byl zásadní problém, jak přimět nějaký elektronický prvek, aby si „pamatoval“ svůj stav aspoň po nějaký krátký okamžik. A aby bylo možné tento stav v případě potřeby zjistit.

Zatímco elektromagnetické relé či klopný obvod si svůj stav pamatují neustále, tehdejší výzkumníci přišli na princip pamětí, jejichž stav je sice třeba neustále obnovovat, ovšem na druhé straně byla taková řešení lacinější a nabízela podstatně větší kapacitu.

Klepněte pro větší obrázek
Výměna vadné elektronky u počítače ENIAC, to byla denní rutina. Postupně se podařilo zajistit, že se vadný kus z těch 18 tisíc, ze kterých byl ENIAC sestaven, podařilo najít „už“ za čtvrt hodiny

Paměť se zpožďovací linkou

Základním principem prvních pamětí bylo donutit nějaký elektronický prvek, aby si po třeba jen zlomek sekundy uchoval náboj (tedy jinak řečeno informaci), který se následně neustále obnovoval.

Paměť se zpožďovací linkou je krásným příkladem principu, nad nímž dnes kroutíme hlavou. Její funkce byla vlastně jednoduché – představte si válec se rtutí, kde na jedné straně máte malý piezoelektrický měnič, který elektrický pulz změní v malou vlnku (respektive zvuk). Ten se následně nese válcem a na druhé straně je stejným prvkem opět změněn v elektrický impulz. Vzhledem k tomu, že rychlost šíření zvuku ve rtuti je výrazně menší, než rychlost světla v kovu, lze tento systém použít k tvorbě paměti.

Klepněte pro větší obrázek

Využití zpožďovací linky pro počítačovou paměť realizoval tvůrce Eniacu John Presper Eckert, o němž jsme si již vyprávěli. Prvotní použití tohoto zařízení ale nespočívalo v pamatování nějakých dat, ale ve zlepšení tehdejších radarů.

Radar pracuje na principu vysílání elektromagnetického vlnění vstříc letadlům, od nichž se část vln odrazí zpět směrem k přijímači, jenž následně na obrazovce tyto odrazy zviditelní.

John Presper Eckert

Elektroinženýr, vynálezce, spolutvůrce počítače ENIAC.

  • narození: 9. dubna 1919
  • úmrtí: 3. června 1995
  • původ: USA ( Filadelfie, Pensylvánie)

Problém prvotních radarů spočíval ve faktu, že radarové vlny se jaksi neodráží pouze od letadel, ale i od různých terénních nerovností, staveb atd. První radary zobrazovaly všechny takové odrazy a operátoři takových zařízení museli projít náročným školením, aby dokázali odlišit odrazy a rušení od statických objektů.

Kvůli tomu byly první radary stavěny na významných vyvýšeninách a směřovány tak, aby se rušení minimalizovalo. Jakmile ale vznikla mobilní radarová zařízení, nastal problém. Tento problém byl ještě zvýrazněn snahou protivníka radary rušit uměle.

Klepněte pro větší obrázek
John Presper Eckert

Existovalo nějaké řešení? Ale ano a princip byl celkem jednoduchý. Signál invertovat a zpozdit takovým způsobem, aby byl k dispozici, jakmile k zařízení dorazí odražené vlny z dalšího pulzu. Následně bylo možné spojit onen „starý“ invertovaný signál s právě došlým, no a všechny odrazy statických objektů (případně uměle generované periodické signály simulující odrazy fiktivních letounů), které se pochopitelně nacházely stále na jednom místě, se tím pádem vyrušily. Na obrazovce operátorů se tím pádem zobrazily pouze odrazy pohybujících se objektů.

Princip byl sice jednoduchý, realizace složitá. Eckert byl jedním z prvních, kdo se s ním úspěšně popral, a to právě díky akustické zpožďovací lince na bázi rtuti, jejíž princip byl popsán výše.

Rtuťové lázně

Samozřejmě, že pro použití v radaru byla nutná velice propracovaná synchronizace celého zařízení, což se v budoucnosti mělo velice hodit. I u počítačů bylo třeba dodržovat precizní časování a Eckert měl s touto technikou mnoho zkušeností. Nikdo z tehdejších počítačových průkopníků se mu nemohl rovnat.

Klepněte pro větší obrázek
Starý radar s CRT obrazovkou z roku 1945. K inspiraci pro tvorbu první počítačové paměti posloužil jak princip radaru, tak CRT obrazovky

Jednou ze zásadních modifikací, kterou pro použití v počítačích vymyslel, bylo osazení jednoho tanku se rtutí mnoha piezoelektrickými měniči po obvodu nádoby, což umožnilo, aby ty stovky litrů rtuti uchovávaly informaci ne jen jednoho bitu (to by bylo opravdu šílené), ale naopak mnoha stovek.

Samozřejmě, bylo důležité celý systém promyslet a především vysílač i přijímač správně nasměrovat, aby se vzájemně mezi sebou nerušily, aby nevznikaly nechtěné odrazy od stěn a tím pádem celý systém nezkolaboval. Fakt, že stovky litrů rtuti si najednou pamatovaly mnohem více bitů, měl pochopitelně i ekologický aspekt. Ostatně, kdyby tehdejší ochránci přírody byli tak hlasití a neodbytní, jako ti dnešní, tak by byly tehdejší počítače zařazeny na černou listinu někam k atomovým elektrárnám...

Klepněte pro větší obrázek
Pokročilé řešení paměti se rtuťovou zpožďovací linkou

Pak tu byl další problém. Zpožďovací linka je z principu schopna vám sdělit informaci o daném bitu pouze v přesně načasovaných intervalech, kdy zvuk v rtuti dorazí na konec své dráhy a je proměněn na signál. Pokud požadujete tuto informaci ve chvíli, kdy je pouhou vlnkou ve rtuti, máte smůlu. To je velký rozdíl oproti dnešním (i jiným tehdejším) pamětem a konstrukce počítačů musela s tímto omezením počítat. Kromě pečlivého seřízení musely být nádoby se rtutí ještě zahřívány na 40 °C a teplota musela být pečlivě udržována, aby se neměnila rychlost zvuku.

Eckert i s kolegou Johnem Mauchlym si tento typ paměti nechali v roce 1947 patentovat a použili jej při stavbě prvního komerčního počítače UNIVAC I. Paměť na tomto principu byla nadále vylepšovaná a postupně se místo rtuti začal používat svinutý kovový drát. Zde už nebyly přenášeny zvukové či elektromagnetické vlny, ale každý bit byl kódován do lehkého zkroucení. Tato torzní vlna se následně pohybovala až na druhý konec.

Bez velkého a toxického rtuťového tanku bylo možné paměť patřičně zmenšit a poslední paměti tohoto typu našly využití i v prvních terminálech. Byly totiž stále levnější, než paměti z klopných obvodů, a fakt, že byly mnohem pomalejší, v tomto případě nehrál roli.

Témata článku: Hardware, Historie, Osobnosti počítačové historie, Sranda, Počítač, Manchester, Vlna, Realizace, Pulse, Ferranti, MAU, Elektrický náboj, Tanky, Rychlost zvuku, Puls, Malý bod, Litr, Hlavní role, Velký rozdíl, Pokročilé řešení, Radar, Ekologický aspekt, Destička, Tank, Základna

Určitě si přečtěte

Velká podzimní aktualizace Windows 10 je tady: Co přináší Fall Creators Update

Velká podzimní aktualizace Windows 10 je tady: Co přináší Fall Creators Update

** Po půl roce je tu další aktualizace Windows ** A opět přináší hlavně hromadu drobných kosmetických vylepšení ** Podívali jsme se na ty nejzajímavější

17.  10.  2017 | Jakub Čížek | 186

Budoucností Windows 10 je Fluent Design. Takto bude jednou vypadat celý systém

Budoucností Windows 10 je Fluent Design. Takto bude jednou vypadat celý systém

** Fluent Design je vzhled, do kterého postupně Microsoft převleče celý systém ** Staví na průhlednosti a velkých plochách ** Do Windows 10 se z části dostane už zítra při vydání podzimní aktualizace

16.  10.  2017 | Stanislav Janů | 155

Jak funguje největší akumulátor v Česku: podívejte se do elektrárny Dlouhé Stráně

Jak funguje největší akumulátor v Česku: podívejte se do elektrárny Dlouhé Stráně

** Přečerpávací vodní elektrárna Dlouhé stráně je obdivuhodné technické dílo ** Stejná turbína vyrábí elektřinu i tlačí vodu zpět do horního jezera ** Strojovna elektrárny je zabudována v podzemí

19.  10.  2017 | David Polesný | 19

Nejlepší optické iluze: Z toho vám půjde hlava kolem

Nejlepší optické iluze: Z toho vám půjde hlava kolem

** Mozek se nechá snadno ošálit, a to mnoha způsoby ** Podívejte se na několik nejlepších optických iluzí ** Iluze dokazují, že vnímání reality může být značně zkreslené

16.  10.  2017 | Vojtěch Malý


Aktuální číslo časopisu Computer

Nový seriál o programování elektroniky

Otestovali jsme 17 bezdrátových sluchátek

Jak na nákup vánočních dárků ze zahraničí

4 tankové tiskárny v přímém souboji