土星 5 號火箭中的磁芯存儲器

運載火箭數字計算機 (LVDC) 在阿波羅登月計劃中發揮了關鍵作用，驅動土星 5 號火箭。與當時的大多數計算機一樣，它將數據存儲在微小的磁芯中。 在這篇文章中，Cloud4Y談論了豪華版的LVDC內存模塊 館藏 史蒂夫·尤爾維森。

這種內存模塊在 1960 世紀 4096 年代中期得到了改進。 它採用表面貼裝元件、混合模塊和靈活的連接方式構建，使其比當時的傳統計算機內存更小、更輕。 然而，內存模塊只能存儲 26 個 XNUMX 位字。

磁芯內存模塊。 該模塊存儲 4K 字，其中 26 個數據位和 2 個奇偶校驗位。 它具有四個內存模塊，總容量為 16 個字，重量為 384 千克，尺寸為 2,3 厘米 × 14 厘米 × 14 厘米。

登月始於 25 年 1961 月 5 日，當時肯尼迪總統宣布美國將在本世紀末將人類送上月球。 為此，使用了三級土星 5 號火箭，這是迄今為止最強大的火箭。 土星XNUMX號是由計算機控制和控制的（這裡 這裡更多 關於他）運載火箭的第三級，從起飛進入地球軌道，然後前往月球。 （此時阿波羅飛船正在與土星五號火箭分離，LVDC 任務完成。）

LVDC 安裝在底架上。 計算機正面可見圓形連接器。 使用 8 個電氣連接器和兩個用於液體冷卻的連接器

LVDC 只是阿波羅號上的幾台計算機之一。 LVDC 連接到飛行控制系統，即一台 45 公斤的模擬計算機。 機載阿波羅制導計算機（AGC）引導航天器到達月球表面。 命令艙包含一個 AGC，而登月艙包含第二個 AGC 以及 Abort 導航系統和備用應急計算機。

阿波羅號上有幾台計算機。

單元邏輯器件 (ULD)

LVDC 是使用一種有趣的混合技術創建的，稱為 ULD（單位負載設備）。 儘管 ULD 模塊看起來像集成電路，但它們包含多個組件。 他們使用簡單的矽芯片，每個矽芯片只有一個晶體管或兩個二極管。 這些陣列與印刷厚膜印刷電阻器一起安裝在陶瓷晶圓上，以實現邏輯門等電路。 這些模塊是 SLT 模塊的變體（固體邏輯技術）專為流行的 IBM S/360 系列計算機而設計。 IBM 於 1961 年開始開發 SLT 模塊，當時集成電路尚未實現商業化，到 1966 年，IBM 每年生產超過 100 億個 SLT 模塊。

ULD模塊比SLT模塊小得多，如下圖所示，這使得它們更適合緊湊型空間計算機。ULD模塊使用陶瓷墊代替SLT中的金屬引腳，並且頂部有金屬觸點表面而不是引腳。 板上的夾子將 ULD 模塊固定到位並連接到這些引腳。

為什麼 IBM 使用 SLT 模塊而不是集成電路？ 主要原因是集成電路仍處於起步階段，1959年才被發明。 1963 年，SLT 模塊比集成電路具有成本和性能優勢。 然而，SLT 模塊通常被認為不如集成電路。 SLT 模塊相對於集成電路的優勢之一是 SLT 中的電阻器比集成電路中的電阻器精確得多。 在製造過程中，SLT 模塊中的厚膜電阻器經過仔細噴砂以去除電阻膜，直到達到所需的電阻。 SLT 模塊也比 1960 世紀 XNUMX 年代的同類集成電路便宜。

LVDC 及相關設備使用了 50 多種不同類型的 ULD。

SLT 模塊（左）明顯大於 ULD 模塊（右）。 ULD尺寸為7,6mm×8mm

下圖顯示了ULD模塊的內部組件。 陶瓷板的左側是連接到四個微小方形矽晶體的導體。 它看起來像一塊電路板，但請記住它比指甲蓋小得多。 右側的黑色矩形是印刷在板下側的厚膜電阻器。

ULD，頂視圖和底視圖。 矽晶體和電阻器是可見的。 SLT 模塊在頂部表面具有電阻器，而 ULD 模塊在底部具有電阻器，這增加了密度和成本。

下圖顯示了 ULD 模塊的矽芯片，其中實現了兩個二極管。 尺寸異常小，相比之下，附近還有糖晶體。 該晶體通過焊接到三個圓圈的銅球具有三個外部連接。 底部的兩個圓圈（兩個二極管的陽極）被摻雜（較暗的區域），而右上角的圓圈是連接到基極的陰極。

糖晶體旁邊的雙二極管矽晶體的照片

磁芯存儲器的工作原理

從 1950 世紀 1970 年代起，磁芯存儲器一直是計算機中數據存儲的主要形式，直到 XNUMX 世紀 XNUMX 年代被固態存儲設備取代。 內存是由稱為核心的微小鐵氧體環創建的。 鐵氧體環被放置在矩形矩陣中，並且兩到四根電線穿過每個環以讀取和寫入信息。 這些環允許存儲一位信息。 使用穿過鐵氧體環的導線的電流脈衝來磁化磁芯。 通過向相反方向發送脈衝可以改變一個磁芯的磁化方向。

為了讀取磁芯的值，電流脈衝將環置於狀態 0。如果磁芯之前處於狀態 1，則變化的磁場會在穿過磁芯的一根導線中產生電壓。 但如果磁芯已經處於狀態 0，則磁場不會改變，感應線的電壓也不會升高。 因此，通過將其重置為零並檢查讀取線上的電壓來讀取核心中位的值。 磁芯存儲器的一個重要特徵是，讀取鐵氧體環的過程會破壞其價值，因此必須“重寫”磁芯。

使用單獨的電線來改變每個磁芯的磁化強度很不方便，但在 1950 世紀 XNUMX 年代，開發了一種基於電流重合原理的鐵氧體存儲器。 四線電路——X、Y、Sense、Inhibit——已經變得司空見慣。 該技術利用了磁芯的一種特殊特性，即磁滯：小電流不會影響鐵氧體存儲器，但高於閾值的電流會使磁芯磁化。 當在一根 X 線和一根 Y 線上施加所需電流的一半時，只有兩條線交叉的磁芯接收到足夠的電流來重新磁化，而其他磁芯保持完好。

這就是 IBM 360 Model 50 內存的樣子。LVDC 和 Model 50 使用相同類型的核心，稱為 19-32，因為它們的內徑為 19 密耳（0.4826 毫米），外徑為 32 密耳（0,8 毫米） ）。 您可以在這張照片中看到，每個核心有 XNUMX 根電線穿過，但 LVDC 使用了 XNUMX 根電線。

下圖顯示了一個矩形 LVDC 存儲器陣列。 8 該矩陣有 128 條垂直延伸的 X 線和 64 條水平延伸的 Y 線，每個交叉點都有一個核心。 一條讀取線與 Y 線平行地穿過所有內核。 寫入線和禁止線與 X 線平行地穿過所有內核。 導線在矩陣中間交叉； 這減少了感應噪聲，因為一半的噪聲抵消了另一半的噪聲。

8192 個 LVDC 鐵氧體存儲器矩陣，包含 XNUMX 位。 通過外部引腳與其他矩陣連接

上面的矩陣有 8192 個元素，每個元素存儲一位。 為了保存一個內存字，將幾個基本矩陣加在一起，每個矩陣對應該字中的每一位。 導線 X 和 Y 蜿蜒穿過所有主矩陣。 每個矩陣都有一條單獨的讀取線和一條單獨的寫入禁止線。 LVDC 內存使用 14 個基本矩陣（如下）的堆棧來存儲 13 位“音節”以及奇偶校驗位。

LVDC堆棧由14個主要矩陣組成

寫入磁芯存儲器需要額外的電線，即所謂的抑制線。 每個基質都有一條抑制線貫穿其中的所有核心。 在寫入過程中，電流通過 X 線和 Y 線，將選定的環（每個平面一個）重新磁化為狀態 1，從而使字中保持全 1。 為了在位位置寫入 0，該線通電了與 X 線相反的一半電流。結果，內核保持在值 0。因此，禁止線不允許內核翻轉到1. 通過激活相應的禁止線，可以將任何所需的字寫入存儲器。

LVDC內存模塊

LVDC 內存模塊的物理結構如何？ 內存模塊的中心是前面所示的 14 個鐵磁內存陣列的堆棧。 它被幾塊電路板包圍，這些電路板用於驅動 X 和 Y 線以及禁止線、位讀取線、錯誤檢測以及生成必要的時鐘信號。

一般來說，大多數與內存相關的電路都在 LVDC 計算機邏輯中，而不是在內存模塊本身中。 特別地，計算機邏輯包含用於存儲地址和數據字以及在串行和並行之間轉換的寄存器。 它還包含用於從讀取位線讀取、錯誤檢查和計時的電路。

顯示關鍵組件的內存模塊。 MIB（多層互連板）是12層印刷電路板

Y內存驅動板

通過將相應的 X 和 Y 線穿過主板堆棧來選擇核心存儲器中的字。 讓我們首先描述 Y 驅動器電路以及它如何通過 64 條 Y 線之一生成信號。 該模塊不是 64 個獨立的驅動器電路，而是通過使用 8 個“高”驅動器和 8 個“低”驅動器來減少電路數量。 它們以“矩陣”配置連接，因此高低驅動器的每種組合都會選擇不同的行。 因此，8 個“高”和 8 個“低”驅動器選擇 64 (8 × 8) Y 線之一。

Y 驅動板（正面）驅動板堆疊中的 Y 選擇線

在下面的照片中，您可以看到一些 ULD 模塊（白色）和驅動 Y 選擇線的一對晶體管（金色）。“EI”模塊是驅動器的核心：它提供恆定電壓脈衝（E ）或通過選擇線傳遞恆定電流脈衝（I）。 通過激活線路一端的電壓模式 EI 模塊和另一端的電流模式 EI 模塊來控制選擇線。 結果是具有正確電壓和電流的脈衝，足以重新磁化磁芯。 翻身需要很大的動力； 電壓脈衝固定為 17 伏，電流範圍為 180 mA 至 260 mA，具體取決於溫度。

Y 驅動板的宏觀照片顯示了六個 ULD 模塊和六對晶體管。 每個 ULD 模塊都標有 IBM 部件號、模塊類型（例如“EI”）和含義未知的代碼

該板還配備了錯誤監視器 (ED) 模塊，可檢測何時同時激活多個 Y 選擇線。ED 模塊使用一種簡單的半模擬解決方案：它使用電阻網絡對輸入電壓求和。 如果產生的電壓高於閾值，則觸發該鍵。

驅動板下方是一個二極管陣列，包含 256 個二極管和 64 個電阻。 該矩陣將來自驅動器板的 8 個頂部和 8 個底部信號對轉換為貫穿主板堆棧的 64 個 Y 線連接。 板頂部和底部的柔性電纜將板連接到二極管陣列。 左側的兩根柔性電纜（照片中不可見）和右側的兩根母線（一根可見）將二極管矩陣連接到磁芯陣列。 左側可見的柔性電纜通過 I/O 板將 Y 板連接到計算機的其餘部分，而右下角的小柔性電纜則連接到時鐘發生器板。

X內存驅動板

驅動X線的佈局與Y方案相同，只是有128條X線和64條Y線。由於X線的數量是Y線的兩倍，因此模塊下面有第二塊X驅動板。 雖然X板和Y板的元件相同，但接線不同。

該板及其下面的板控制一堆核心板中的 X 個選定行

下圖顯示板上部分元件損壞。 其中一個晶體管移位，ULD 模塊斷成兩半，另一個也斷掉。 在損壞的模塊上可以看到接線，以及一個微小的矽晶體（右）。 在這張照片中，您還可以看到 12 層印刷電路板上垂直和水平導電軌道的痕跡。

電路板損壞部分的特寫

X 驅動板下方是一個 X 二極管矩陣，包含 288 個二極管和 128 個電阻。 X 二極管陣列使用與 Y 二極管板不同的拓撲，以避免組件數量增加一倍。 與 Y 二極管板一樣，該板包含垂直安裝在兩個印刷電路板之間的組件。 這種方法稱為“cordwood”，可以使組件緊密包裝。

X 二極管陣列的宏觀照片，顯示了 2 個印刷電路板之間垂直安裝的芯木二極管。 兩個 X 驅動器板位於二極管板上方，通過聚氨酯泡沫與它們隔開。 請注意，印刷電路板彼此非常接近。

記憶放大器

下圖顯示了讀出放大器板。 有7個通道用於從內存堆棧讀取7位； 下面的相同板可處理 7 個以上的位，總共 14 位。 讀出放大器的目的是檢測可再磁化磁芯產生的小信號（20毫伏）並將其轉換為1位輸出。 每個通道均由差分放大器和緩衝器組成，後面是差分變壓器和輸出箝位。 左側，一條 28 線柔性電纜連接到內存堆棧，將每條感測線的兩端引至放大器電路，從 MSA-1（內存感測放大器）模塊開始。 各個組件是電阻器（棕色圓柱體）、電容器（紅色）、變壓器（黑色）和晶體管（金色）。 數據位通過右側的柔性電纜退出傳感放大器板。

讀出放大器板位於內存模塊頂部。 該板放大來自檢測線的信號以創建輸出位

寫禁止線路驅動器

禁止驅動程序用於寫入內存，位於主模塊的底部。 有 14 條禁止線，堆棧上的每個矩陣各一條。 要寫入 0 位，相應的鎖定驅動器將被激活，並且通過禁止線的電流會阻止內核切換到 1。每條線均由 ID-1 和 ID-2 模塊（寫禁止線驅動器）和一對驅動器驅動晶體管。 板頂部和底部的精密 20,8 歐姆電阻可調節阻斷電流。 右側的 14 線柔性電纜將驅動器連接到核心板堆棧中的 14 條抑制線。

抑制板位於內存模塊底部。 該板生成記錄期間使用的 14 個禁止信號

時鐘驅動內存

時鐘驅動器是一對為內存模塊生成時鐘信號的板。 一旦計算機開始存儲器操作，存儲器模塊使用的各種時鐘信號就由模塊的時鐘驅動器異步生成。 時鐘驅動板位於模塊底部，位於堆棧和抑制板之間，因此很難看到這些板。

時鐘驅動板位於主內存堆棧下方，但位於鎖板上方

上圖中的藍色板元件是多圈電位器，大概是用於定時或電壓調節。 電路板上還可以看到電阻器和電容器。 該圖顯示了幾個 MCD（內存時鐘驅動器）模塊，但板上看不到任何模塊。 很難判斷這是由於可見性有限、電路發生變化還是由於存在帶有這些模塊的另一塊板。

內存輸入/輸出面板

最後一塊內存模塊板是 I/O 板，它在內存模塊板和 LVDC 計算機的其餘部分之間分配信號。 底部的綠色 98 針連接器連接到 LVDC 內存機箱，提供來自計算機的信號和電源。 大多數塑料連接器都已損壞，這就是觸點可見的原因。 配電板通過底部的兩根 49 針柔性電纜連接到該連接器（僅前面的電纜可見）。 其他柔性電纜將信號分配到 X 驅動器板（左）、Y 驅動器板（右）、檢測放大器板（頂部）和抑制板（底部）。 板上的 20 個電容器對提供給內存模塊的電源進行濾波。

內存模塊和計算機其餘部分之間的 I/O 板。 底部的綠色連接器連接到計算機，這些信號通過扁平電纜路由到內存模塊的其他部分

產量

主 LVDC 內存模塊提供緊湊、可靠的存儲。 計算機的下半部分最多可放置 8 個內存模塊。 這使得計算機可以存儲 32 千字 冗餘高可靠“雙工”模式下的 26 位字或 16 千字。

LVDC 的一項有趣功能是可以鏡像內存模塊以提高可靠性。 在“雙工”模式下，每個字都存儲在兩個內存模塊中。 如果一個模塊發生錯誤，可以從另一模塊獲得正確的字。 雖然這提供了可靠性，但它將內存佔用量減少了一半。 或者，存儲器模塊可以在“單工”模式下使用，每個字存儲一次。

LVDC 可容納多達 XNUMX 個 CPU 內存模塊

磁芯內存模塊直觀地展示了 8 KB 存儲需要 5 磅（2,3 千克）重的模塊時的情況。 然而，這段記憶在當時來說是非常完美的。 隨著 1970 世紀 XNUMX 年代半導體 DRAM 的出現，此類設備逐漸被廢棄。

RAM 的內容在電源關閉時會被保留，因此模塊很可能仍在存儲上次使用計算機時的軟件。 是的，是的，即使幾十年後你也可以在那裡找到一些有趣的東西。 嘗試恢復這些數據會很有趣，但損壞的電路會產生問題，因此在接下來的十年內可能無法從內存模塊中檢索內容。

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來源： www.habr.com