Loading... # 延迟线存储器早期计算机内存技术解析 # 一、概述 ## 1. 简介 ### A. 是什么 延迟线存储器是一种早期计算机内存技术，现已基本淘汰。它利用信号在介质中传播需要时间的特性来存储数据，是首批实用的数字计算机存储方案之一。 ### B. 为什么重要 - 比真空管存储器成本低 100 倍，但速度相当 - 为早期计算机（如 EDVAC、UNIVAC I）提供了可行的内存解决方案 - 从二战雷达技术演变而来，是军民技术融合的典型案例 ### C. 现代应用 延迟线存储器正以光学延迟线的形式重新出现，应用于光计算领域。 ## 2. 核心特性 - 刷新式内存：需要持续循环以保持数据 - 顺序存取：与现代随机存取内存（RAM）不同，必须等待数据循环到访问点 - 存取延迟：取决于数据在延迟线中的位置 # 二、工作原理 ## 1. 基本概念 延迟线存储器利用信号在介质中传播的延迟时间来存储信息。当延迟线用作存储设备时，放大器和脉冲整形器连接在输出和输入之间，形成信号循环回路。 ```mermaid graph LR A[输入数据] --> B[写入换能器] B --> C[延迟介质] C --> D[读取换能器] D --> E[放大与整形] E -->|循环| C E --> F[输出数据] ```  ## 2. 存储容量计算 存储容量由循环时间除以传输一位所需时间决定： ``` 容量（位） = 循环时间 / 单位传输时间 ``` 早期系统的容量通常为数千位，循环时间以微秒计量。 ## 3. 访问机制 要读取或写入特定地址，必须等待代表该地址值的信号通过延迟线传输到电子设备。因此，任何特定地址的存取延迟取决于时间和地址，但不会超过循环时间。 # 三、技术发展史 ## 1. 起源：雷达技术 延迟线的基本概念源于二战雷达研究，用于减少地面和其他静止物体的杂波干扰。 ### A. 雷达系统构成 雷达系统主要由天线、发射机、接收机和显示器组成。天线发射短暂的无线电脉冲，然后接收反射信号。距离较远的物体回声延迟更长。 ### B. 静止物体滤波 为了过滤静止物体，系统会比较两个脉冲： 1. 将接收到的显示信号分为两路 2. 一路直接送至显示器 3. 另一路经过延迟单元，延迟时间为脉冲重复频率的整数倍 4. 对其中一个信号进行反相 5. 将两路信号合并，静止位置的信号被抵消，只显示移动目标 ## 2. 转化为计算机存储 ### A. 关键突破 1942 年，威廉·肖克利在贝尔实验室将延迟线概念用于计算机内存。1944 年，J. 普雷斯珀·埃克特在麻省理工学院进一步发展了这一技术。 ### B. 专利申请 1947 年 10 月 31 日，埃克特和约翰·莫奇利申请了延迟线存储系统专利，并于 1953 年获得批准。该专利主要关注水银延迟线，也讨论了电感电容网络、磁致伸缩延迟线和旋转磁盘等形式。 # 四、技术类型 ## 1. 声学延迟线 ### A. 水银延迟线 #### 工作原理 水银柱两端放置压电晶体换能器（结合扬声器和麦克风功能）。信号从雷达放大器发送到一端的换能器，在水银中产生小波。波传播到另一端被读取、反相后发送到显示器。 #### 选用水银的原因 - 声阻抗与压电石英晶体接近，最大限度减少能量损失 - 水银中声速较高（1450 m/s），缩短等待时间 - 但也存在缺点：重量大、成本高、有毒 #### 温度控制 为匹配声阻抗，水银需保持恒温（40°C），这使得维护工作变得炎热不适。 #### 实际应用 - EDSAC：第二个完整的存储程序数字计算机，使用 16 条延迟线存储 256 个 35 位字 - UNIVAC I：每列存储 120 位，需要 7 个大型存储单元（每个 18 列）组成 1000 字存储器 - 平均访问时间约 222 微秒 ### B. 磁致伸缩延迟线 #### 工作原理 使用钢丝作为存储介质，利用磁致伸缩效应： 1. 镍等磁致伸缩材料附着在钢丝两端 2. 数据进入磁场时，镍根据极性收缩或膨胀 3. 扭转钢丝一端产生扭转波 4. 波沿钢丝传播，类似水银中的声波 #### 优势 - 扭转波对机械缺陷不敏感，钢丝可盘绕成线圈 - 单位面积存储容量更大：1 千位单元仅需约 30 厘米见方的板 - 访问时间约 500 微秒 #### 应用 - LEO I、Ferranti 机器 - IBM 2848 显示控制器 - 早期终端的视频内存 - Friden EC-130、Olivetti Programma 101 等台式电子计算器 ### C. 压电延迟线 #### 工作原理 完全使用压电材料（通常是石英）制成延迟线。电流输入一端产生压缩波传播到另一端读取。这相当于将水银和换能器合并为单一单元。 #### 限制 大尺寸高质量晶体生长困难，限制了数据存储容量。 #### 电视应用 压电延迟线在欧洲 PAL 彩色电视机中广泛应用： - PAL 标准比较两行信号避免色彩偏移 - 需要 64 微秒延迟单元 - 通过在晶体内部多次反射实现小尺寸设备 ## 2. 电延迟线 电延迟线用于更短的延迟时间（纳秒到几微秒）： ### A. 构成方式 - 长电传输线 - 电感和电容链式排列 - 漆包铜线绕金属管缠绕 ### B. 应用场景 - 高频电路或天线的相位匹配 - 磁控管和速调管中的谐振器 - 行波管中的螺旋结构 ### C. 集成电路实现 在集成电路存储设备中实现延迟线： - 数字方式 - 离散时间模拟方式（使用斗链器件或电荷耦合器件） - 带宽受限于时钟频率的一半 ### D. 现代应用 在千兆赫速度的现代计算机中，并行数据总线中导线的毫米级差异可能导致数据位偏斜。解决方案是使所有导体路径长度相似，使用之字形走线延迟较短路径的到达时间。 ## 3. 光学延迟线 在光计算领域，光学延迟线可以类似于声学或电延迟线的方式使用。2024 年的研究表明，全光通用 CPU 和光计算机架构正在发展中。 # 五、技术对比 | 类型 | 介质 | 延迟时间 | 容量 | 优缺点 | |------|------|----------|------|---------| | 水银延迟线 | 水银 | 微秒级 | 数百位 | 可靠但有毒、需恒温 | | 磁致伸缩延迟线 | 钢丝 | 数百微秒 | 1 千位 | 容量大、可盘绕 | | 压电延迟线 | 石英 | 固定 | 较小 | 尺寸受限 | | 电延迟线 | 导体 | 纳秒-微秒 | - | 适合短延迟 | | 光学延迟线 | 光介质 | - | - | 新兴技术 | # 六、历史影响 ## 1. 技术意义 - 使得早期存储程序计算机成为可能 - 成功解决了当时电子存储器成本高的问题 - 为后续内存技术发展奠定了基础 ## 2. 争议趣闻 艾伦·图灵曾提议使用金酒作为超声波延迟介质，声称其具有必要的声学特性。 ## 3. 俚语 一些水银延迟线存储设备会产生类似人声低语的可听声音，因此被称为"mumble-tub"（低语管）。 # 七、衰落与遗产 ## 1. 淘汰原因 - 顺序存取限制了访问速度 - 磁芯存储器和半导体存储器的出现 - 维护复杂（如水银的温度控制） ## 2. 持续应用 - 一直使用到 20 世纪 60 年代末 - 在特定领域（如电话交换机、计算器）中长期使用 ## 3. 现代复兴 光学延迟线技术的重新兴起，可能在光计算领域带来新的应用。 *** ## 参考资料 1. [Delay-line memory - Wikipedia](https://en.wikipedia.org/wiki/Delay-line_memory) 最后修改：2026 年 02 月 11 日 © 允许规范转载 赞 如果觉得我的文章对你有用，请随意赞赏