"Память" машины

Написав эти слова, мы невольно задумались, а что же такое память, что мы о ней знаем?

Вот, например, говорят: хорошая память, плохая память, человек без памяти, запамятовал, забыл, потерял память и т. д. Как видите, в нашем языке есть очень много слов и выражений для определения состояния памяти. Известно, что наша способность к фиксации движений, слов, образов, понятий и удержанию зафиксированного и есть память. Но гораздо труднее объяснить, каким образом наша память работает.

Люди, не надеясь на память, всякими способами стараются ее усилить

Действительно, чем можно объяснить хотя бы такую удивительную способность памяти человека? В Москве проживает самая старая жительница столицы Любовь Васильевна Пужак. Ей 154 года. Она хорошо помнит встречи с Н. А. Некрасовым, А. П. Чеховым, Л. Н. Толстым, может подробно рассказать, что происходило в Москве в день отмены крепостного права, как пускали первую в России железную дорогу и многое другое из глубокой старины.

Рассказывают, что выдающийся русский ученый, академик Чаплыгин, обладая очень хорошей памятью, мог безошибочно назвать номер телефона, по которому он звонил всего один раз, этак лет пять назад.

Можно было бы привести много примеров тренированной памяти и рассказать о том, как запоминают наизусть сотни стихов, десятки поэм и даже целые романы. Многие шахматисты могут по памяти восстановить партии турниров, заново разыграть ход в ход целые матчи.

Но известны и другие случаи с памятью человека.

Однажды Лев Николаевич Толстой, вернувшись с охоты, застал семью и знакомых за чтением какой-то рукописи. Лев Николаевич скромно сел в углу и тоже стал слушать. Когда чтение окончилось, великий писатель начал выражать восторг по поводу услышанного, называя автора произведения большим талантом. Каково же было его изумление, когда ему сказали, что читались отрывки из его романа "Война и мир"!

Раскрывая физиологические особенности нашей памяти, великий русский физиолог И, П. Павлов указывал, что ни одно воздействие на мозг человека, поступающее через органы чувств, не проходит бесследно. Оно запоминается нервной тканью. Каждое раздражение оставляет в мозгу "след", "отпечаток", как называл их Павлов. Эти "следы", своего рода штрихи, записи нашей памяти, и есть ее материальная основа.

Хороший "след" в мозгу, хорошая запись - это длительное запоминание. Нет записи, нет "следа" - и помнить нечего.

А "отказ" памяти - забывание - происходит из-за стирания "следов" в мозгу.

Ученые говорят, что "забывание" для мозга дело полезное. Представьте себе, что бы произошло с головой, если бы "следы" в мозгу не распадались. Он постепенно оказался бы перенасыщенным, и для новых впечатлений не осталось бы места.

Люди иногда не надеются на свою память и всякими способами стремятся ее усилить. Некоторые завязывают узелок "на память", многие записывают "для памяти", например, адреса и номера телефонов. Кассир, считая деньги, тоже "для памяти" откладывает костяшки счетов. "На память" дарим мы фотографии. Магнитные ленты сохраняют для нас любимые мелодии и нужные речи. Кинопленка запечатлевает на века выдающиеся исторические события, образы людей, лучшие спектакли*

А газеты, журналы, книги - разве это не гигантская общественная память, передающая из поколения в поколение накопленные знания, развивающая культуру, помогающая росту человечества?

Память служит людям своеобразным архивом сведений я фактов. В любой момент, когда возникает необходимость, мы обращаемся к ней.

А для чего нужна память машине? Это легко понять, если проследить за тем, как человек с карандашом в руках решает задачу.

Обычно на бумаге мы записываем исходные данные задачи, условие, затем само решение. При этом почти всегда, а в сложных вычислениях обязательно, приходится записывать (для памяти) и промежуточные результаты вычислений.

Каждый улыбается, вспомнив, как иногда, производя умножение, он вслух произносит: "Семью пять - тридцать пять, пять пишем, три в уме". То же самое приходится делать и вычислительной машине. И она пять "записывает", а три держит в "уме" - "запоминает". Для этого у нее имеются специальные запоминающие устройства.

Бывает, что адрес или телефон понадобится всего один раз. Тогда его записывают на первом попавшемся листочке бумаги. Позвонили и выбросили. Если адрес или телефон нужны будут еще раз-другой, вероятно, запись перенесут уже в блокнот или алфавитную книжку. Здесь хранят данные, надобность в которых придет со временем.

Это уже "память" длительная, основательная.

Все виды такой "памяти" есть и в машине. Здесь можно найти и "листок бумаги", и "блокнот", и "алфавитную книжку" длительной "памяти".

С одним видом машинной "памяти" мы уже знакомы. Это триггерные цепи. В них триггеры, как мы уже знаем, могут до поступления новых сигналов - электрических импульсов - хранить двоичные знаки 0 или 1.

Но "память" из триггерных цепей очень неудобна. Для хранения чисел надо ставить много электронных ламп, а это приводит к значительному увеличению габаритов "памяти" и к большому расходу энергии. Поэтому теперь от подобных устройств отказались, и со времени использования в одной из первых электронных счетных машин не применяют.

Самая быстрая "память" (ее так и называют: "оперативная память") строится на других быстродействующих более экономичных элементах. Она нужна для "запоминания" данных, которые часто используются машиной. В этой же "памяти" хранится и первый эшелон чисел. Их "с нетерпением ждут" устройства машины для переработки.

Для оперативной "памяти" применяют специальные электронно-лучевые трубки. Чтобы с ними познакомиться, не нужно забираться в "недра" счетной машины, а достаточно заглянуть в самый обыкновенный телевизор.

Электронно-лучевая трубка - это пустой стеклянный баллон. В нем, как и в электронной лампе, есть анод и катод. Если сделать анод в виде полого цилиндрика и зарядить его положительно, то электронный поток, пройдя через него, превратится в узкий луч.

На конце трубки установлен экран, покрытый светящимся составом. Электронный луч ударяется в него и выбивает небольшое пятнышко.

Когда мы рассказывали о работе триггеров, мы показали лишь один вид управления потоком электронов-разгон и торможение. Но, оказывается, можно изменять и направление электронного потока. Можно заставить электронный луч отклоняться вправо или влево, вверх или вниз и таким образом окончательно подчинить его нашей воле.

Для этого достаточно на пути луча поставить друг за другом две пары металлических пластинок так, чтобы луч проходил между ними. Первую пару ставят горизонтально, а вторую - вертикально.

Сначала луч встретит горизонтальные пластинки. Если верхнюю зарядить отрицательно, то луч из отрицательных электронов оттолкнется к нижней. Но не думайте, что он остановится. Громадная скорость электронов позволит лучу проскочить ко второй паре пластин. Они, подобно первой, тоже управляют смещением электронного луча, но уже в горизонтальной плоскости.

Так с помощью двух пар пластинок можно направлять электронный луч в любую точку экрана.

Электронный луч, бегая по экрану, будет выбивать на нем в любой точке одно за одним пятнышки - электрические заряды. Автоматически изменяя скорость потока электронов, можно выбивать то больше, то меньше электрических зарядов.

А все-таки как же записываются на экране числа? Для этого заставляют луч выбивать различные по форме заряды: одни в виде точки, а другие в виде кольца. Точечный рисунок - единица, кольцевой - ноль.

Электронналучевая трубка и ферритовая матрица

Экран с записанными данными как бы напоминает пчелиные соты. Есть в ячейке мед - единица, нет - ноль. Ячейка на экране - это участочек с изображением точки или кольца. Таких ячеек обычно бывает 1 024, 2 048 или 4 096, то есть 2¹⁰, 2¹¹ или 2¹², - всегда целая степень двух.

Здесь мы снова встретились еще с одним видом кода. В отличие от телеграфного он имеет не точку и тире, а точку и кольцо.

Как видите, работа электронно-лучевой трубки - оперативная "память" машины - действительно схожа с работой всем известных теперь телевизионных трубок.

Что такое телевизионное изображение? Это подвижная моментальная фотография, записанная электронным лучом. А в запоминающем устройстве машины электронный луч тоже ведет такую запись, но только записывает не отдельные картины, а условные обозначения чисел, которые фиксируются на экране.

Длительность такого "запоминания" - всего десятая доля секунды. Поэтому электронный луч, как вечный карандаш, беспрерывно обегает экран трубки, подновляя запись и "освежая память".

Чтобы считать записанные коды чисел, электронный луч снова направляется на экран трубки в требуемую точку. Луч, ощупывая экран, теперь как бы снимает с него импульсы, соответствующие сделанной на нем записи. Считывание и запись чисел происходит за одну стотысячную долю секунды.

Человек не задумывается, в какое место своей памяти послать, скажем, номер телефона, который ему необходимо помнить. И не думает, как его оттуда извлечь.

Механизм запоминания и извлечения данных из памяти человека до сих пор не разгадан.

Но при записи чисел в машинную "память" нужно точно указать адрес засылаемого числа - куда именно его поместить. А уже по этому адресу всегда легко найти и вызвать в случае необходимости нужное число.

Между прочим, и человеку приходится иногда прибегать к адресной системе. Мы не в состоянии помнить всех телефонов, но можем легко запомнить ту книжку, куда они записаны. В самой книге тоже есть "адреса" - алфавит. Телефон Иванова никто не запишет и не станет искать на букву Ф.

В машинной "памяти" адрес определяется номером ячейки, куда посылается или откуда выбирается нужное число. Поэтому указание о записи данных в машинную "память" всегда сопровождается адресом.

Например, записать число в ячейку номер 635 или извлечь слово из ячейки 738.

Покажем теперь, как это происходит в электронно-лучевых трубках.

Каждая ячейка на экране имеет свой условный номер. Ячейка в верхнем левом углу № 1. Последняя-в правом нижнем углу - 1 024. Можно было бы нумеровать ячейки и снизу вверх, как квартиры в многоэтажном доме. Кстати, это может послужить и аналогией. Электронная трубка - дом. Номер ячейки - номер квартиры.

Если надо записать единичку "по адресу 635", то электронный луч "встает" против ячейки с этим номером, единица, поступившая на трубку в виде импульса, выбьет в ячейке экрана точку.

Для записи многоразрядного числа нужно несколько электронных трубок - по числу разрядов.

Если потребуется по 635-му адресу записать не 1, а, допустим, число 1 101, электронные лучи четырех трубок - четырех разрядов - выбьют в 635-х ячейках соответственно: в первой трубке справа - точку, во второй - кольцо, в третьей и четвертой - точки.

Число 1 101 записано и хранится в памяти по адресу 635.

Подойдем к шкафу, в котором, не останавливаясь, с великим напряжением трудится машинная "память". Мы увидим ряды поставленных друг на друга металлических коробок, похожих на цилиндры. Откроем крышку одного из них. Под защитой магнитных экранов расположена электронно-лучевая трубка. О неутомимом беге невидимого электронного луча нам говорят зеленоватые точки, вздрагивающие на светлом экране.

Запоминающее устройство из нескольких десятков таких электронно-лучевых трубок может хранить 1 024 или 2 048 многоразрядных чисел.

К сожалению, у этой "памяти" тоже есть существенные недостатки. Частая бомбардировка экрана электронным лучом приводит к искажениям на нем: "память" расстраивается. Кроме того, оперативная "память" на электронно-лучевых трубках и очень дорога.

На заре развития электронных вычислительных машин была выпущена книга группы американских инженеров "Быстродействующие вычислительные устройства". Тогда в ней осторожно указывалось на новые материалы для запоминающих устройств - магнитные. Авторы говорили, что эти материалы представляют заманчивые возможности.

С тех пор прошло менее десяти лет. За это время построен уже не один десяток машин с "памятью" на магнитных элементах, называемых ферритами. Это название вы найдете в любой энциклопедии, в любом словаре, хотя ферриты - слово новое.

Ферриты изготовляют из смеси окислов различных металлов с окисью железа. Для этого в шаровых или вибрационных мельницах окислы металлов размалывают в тончайший порошок. Тщательно перемешав его со связующими веществами, прессуют в колечки и обжигают в печах при высокой температуре.

На готовые колечки наматываются тончайшие проволоки - обмотка.

Ферритовые элементы недаром зовут чудесными магнитами.

Они способны очень быстро менять свое магнитное состояние под воздействием управляющих импульсов электрического тока, которые подаются и намагничивают обмотку кольца.

Изменение магнитного состояния кольца легче всего обнаружить так: вставить в него железный стерженек и подать в намагничивающую обмотку импульс. Тогда стерженек намагнитится: северный полюс возникнет на правом конце, южный - на левом. В кольце установилось одно магнитное состояние. Подадим теперь в намагничивающую обмотку импульс противоположного направления. Стерженек тотчас же перемагнитится: произойдет смена полюсов. На правом конце образуется южный, на левом - северный.

Железные стерженьки, которыми мы воспользовались для пояснения работы ферритового кольца, в настоящих схемах не применяются. Там они не нужны. Изменение состояния кольца "чувствует" специальная считывающая обмотка. Когда кольцо переходит из одного состояния в другое, в ней возникает электрический импульс.

У "волшебных" магнитов есть еще одно замечательное свойство. После выключения тока в намагничивающей обмотке они продолжают оставаться в том состоянии, в которое их привел управляющий импульс. Если же пустить ток в другом направлении, то за миллионные доли секунды произойдет перемагничивание - переход в другое состояние. За это свойство и ухватились создатели "памяти" электронных машин.

Раз кольцо может находиться в двух устойчивых состояниях, да еще с такой молниеносной быстротой переходить из одного в другое, значит можно вести запись с помощью "0" и "1". Попеременно перемагничиваясь, колечко будет "запоминать" то 1, то 0. И здесь мы видим своеобразное "опрокидывание", как в триггерах. А при переходе из 1 в 0 считывающая обмотка выдаст импульс: с феррита будет считана записанная на нем единица.

Создатели ферритовой "памяти" взяли маленькие, диаметром до 3 миллиметров, ферритовые кольца и надели их на перекрещивающиеся медные проволочки - горизонтальную и вертикальную. Так смонтировали решетку, которую вставили в металлическую рамку. Снова, как и на экране электронно-лучевой трубки, получили "пчелиные соты". Каждая ячейка - феррит, у каждой ячейки свой номер.

Решетки с надетыми на них ферритовыми колечками собирают в пакет. Это ферритовый накопитель для многоразрядных чисел. Количество колец в решетке определяет емкость накопителя - ее удается довести до многих тысяч чисел. А количество решеток в пакете определяет разрядность чисел.

Запишем то же самое число 1101 по тому же адресу 635 на ферритовой памяти. И здесь нужно взять четыре решетки, как на трубках четыре экрана.

Для записи числа по нашему адресу подадим на горизонтальные проволочки с номером 635 всех четырех решеток электрический импульс вдвое меньший, чем необходимый для "опрокидывания" феррита.

Ферриты, надетые на эту проволочку, готовы к приему числа. Но состояния своего они еще не меняют. "Половинный" электрический импульс, поданный по одному проводничку, не в состоянии "опрокинуть" феррит.

Чтобы записать сигнал, надо одновременно с подачей импульсов на горизонтальные проводнички подать соответствующие импульсы на вертикальные проводнички тоже с номерами 635. Это значит, что на первую, третью и четвертую решетки поступят вторые "половинные" импульсы: здесь запишутся единицы. А на вторую решетку по вертикальному проводничку импульс не поступит. В ней ячейка № 635 останется на ноле.

Для снятия чисел при считывании с такого запоминающего устройства через все ферритовые кольца каждой решетки пропущена по диагонали третья проволочка - обмотка считывания. По ней-то и идут сигналы, когда надо "снять" какое-либо число из запоминающего устройства.

Допустим, надо из памяти извлечь число 1001, расположенное в ячейке № 738. Тогда на все вертикальные и горизонтальные проводнички с этим номером надо подать одновременно управляющие импульсы.

Число 1101 послано в ячейку 635 ферритовой памяти

Тогда ферриты № 738 первой и четвертой решетки перейдут в состояние 0 и на считывающих обмотках этих решеток появятся импульсы - единицы. А состояние ферритов № 738 второй и третьей решеток не изменится, и на их считывающих обмотках импульсы не появятся. Число 1001 будет считано из "памяти" и отправлено по назначению.

Считывание и запись идет в одну стотысячную долю секунды и даже быстрее.

Ферритовые колечки снабжают еще одной обмоткой - "восстановительной". С ее помощью считанное число в случае необходимости снова восстанавливается в "памяти".

Предельная простота ферритовой "памяти", высокая надежность работы, большая скорость записи и считывания, громадная емкость при малых габаритах, длительное хранение чисел без затраты энергии -о чем еще может мечтать строитель вычислительных машин!

Ферритами можно в будущем воспользоваться для создания емких запоминающих устройств специального назначения. Например, для долговременного хранения большого количества неизменяющихся данных: справочных сведений, таблиц, кодов, шифров, списков. Из такого магнитного архива все эти сведения могут по мере надобности выдаваться в любой комбинации со скоростью в несколько десятков тысяч чисел в секунду.

За подобной ферритовой "фабрикой памяти", вероятно, не угнаться всем архивным, библиографическим и информационным учреждениям.

Посмотришь на крошечные ферритовые детальки и невольно вспомнишь, что мал золотник, да дорог. Ведь для электронной машины нет ничего дороже, чем надежная "память", помогающая быстродействию машины, расширяющая ее возможности.

Оперативная "память" машины может хранить несколько тысяч чисел. Ну, а как быть, если надо хранить не тысячи чисел, а десятки, сотни тысяч, миллионы?

Вспомним, что делает человек, когда не может всего удержать в памяти. Он заводит записную книжку. Такая "книжка" есть и у машины. Это "внешняя память". В ней числа "запоминаются" так же, как запоминается музыка или речь, записанные на магнитной ленте магнитофона.

Магнитофон - удивительное создание современной техники. С его помощью ведут запись чисел и в электронных вычислительных машинах.

Так записываются электрические сигналы на магнитную ленту

Основная деталь магнитофона - специальная магнитная головка, связанная с усилителем. От него в магнитную головку поступают сигналы - импульсы тока, создающие в ней магнитный поток.

В кольце головки устроена щель размером меньше десяти микрон. Магнитный поток, образуемый в головке, через щель вырывается наружу и падает на магнитную ленту, которая, перематываясь с бобины на бобину, проходит возле щели.

В магнитную головку поступил сигнал - импульс тока, головка сработала, и на ленте наводится магнитное пятнышко. Это единица. Нет пятнышка - ноль.

Магнитный барабан, магнитная лента

Так невидимое "перо" - магнитное поле - ведет на пленке невидимую запись чисел. Эта запись прочна и может долго храниться. Для ее считывания на (магнитофоне установлена вторая головка - считывающая. Когда под ней проходит лента, намагниченные места возбуждают в считывающей головке ток. Усилитель его усиливает так, чтобы можно было различать импульсы - сигналы, которые поступают дальше в счетчики, на экраны, туда, где воспроизводится запись.

В электронных вычислительных машинах обычно устанавливают несколько "магнитофонов". На узкой ленте длиной до 500 метров на каждом миллиметре записывается 6 импульсов. На одной такой ленте можно записать сотни тысяч чисел.

Лента обычно идет со скоростью 2 метра в секунду, и скорость выборки или записи доходит до 10 тысяч цифр в секунду. Но по сравнению с оперативной "памятью" эта скорость маленькая.

Бобины с лентами легко меняются во время работы машины, поэтому магнитную память можно увеличивать. А если поставить несколько "магнитофонов", то во внешней "памяти" поместятся уже миллионы чисел.

Больше лент - больше чисел. Значит, машина может завести не одну "записную книжку", а сколько угодно, составить целый архив данных для решения задач - создать себе поистине гигантскую "память".

Уже сейчас имеются машины, "внешняя память" которых включает до 100 "магнитофонов". Она способна хранить и оперировать данными объемом в полмиллиарда знаков.

Попытайтесь представить, что это значит. Ведь в многотомном романе Л. Н. Толстого "Война и мир" всего несколько миллионов знаков.

Как видите, оперативная "память" машины позволяет быстро считывать числа, но количество запоминаемых данных у нее сравнительно невелико. Во внешней "памяти", наоборот, можно записать сотни тысяч и даже миллионы чисел, но выборка их из-за большой длины магнитных лент происходит медленно. Чем длиннее ленты, тем больше времени надо потратить для отыскания числа.

Поэтому возникла необходимость еще в дополнительной "памяти", которая совмещала бы в себе достоинства обоих устройств: большое количество запоминаемых данных и быстроту их выборки.

Для этой цели служит специальный магнитный барабан. Он, по сути дела, представляет собою очень широкую замкнутую в кольцо магнитную ленту. На ней запись ведется по многим дорожкам. Их число доходит до восьмидесяти. Это заставляет иметь и соответствующее количество головок.

На барабане может храниться до 30 тысяч чисел, которые также записываются намагничиванием маленьких участков поверхности, как и на ленте.

Барабан вращается с большой скоростью. Она иногда достигает 12 тысяч оборотов в минуту. И за время одного оборота считывается или записывается нужное число или даже группа чисел. Не то что на ленте, где для поиска числа приходится иногда перемотать сотни метров.

Если мы захотим кратко сформулировать достоинства этого вида "памяти", то нам придется указать на ее надежность, экономичность и простоту.

"Память" - основа основ электронной вычислительной машины. Производительность, мощность, универсальность ее во многом определяются объемом и быстродействием запоминающих устройств.

Вот почему ученые и конструкторы вычислительных машин настойчиво ищут все новые и новые виды машинной "памяти".

Поиски идут в разных направлениях. Используются физические и химические свойства веществ, привлекаются не только механические, электрические и магнитные принципы "запоминания", но и ультраакустические, фотографические.

Все силы ученые направляют на то, чтобы увеличить объем, повысить быстродействие и надежность, уменьшить габариты машинной "памяти" и снизить потребление энергии запоминающими системами.

Для создателей запоминающих устройств идеалом является память человека с ее необыкновенной гибкостью, поразительной организованностью и непостижимой скоростью выборки. Достигнут ли они такого совершенства в своих устройствах? Это покажет будущее.