IBM 1401メインフレームの4000文字フェライトメモリモジュール
IBM 1401メインフレームは1959年に導入され、60年代半ばまでに世界で最も人気のあるコンピューターになり 、競争をはるかに上回りました。 安価であるため、中規模および大規模企業で特に需要がありました。 1401の重要な成功要因は、4,000文字の磁気コアメモリ（フェライトメモリ）でした。データは、小さな磁化フェライトリング（コア）に保存されていました。
メモリモジュール（上の写真を参照）は驚くほど複雑で、赤いワイヤーハーネスに数千の小さなコアが取り付けられています。 この記事では、そのデバイスについてさらに深く掘り下げます。
メインフレームIBM 1401 60年代半ば。 右側にはラインプリンター1403、背景にはテープドライブ792
IBM 1401メインフレームは、約2台の冷蔵庫のサイズです。 メモリモジュールにアクセスするには、以下に示すように、正面ドアを開く必要があります。 コンソールスイッチ、電球、およびワイヤは左側に残ります。 メモリモジュール自体は中央にあり、ほとんどが茶色のプリント基板で覆われています。
メインフレーム1401のパネル（左側）を開くと、磁気コア（中央）にメモリモジュールがあります。
以下の図は、「A」文字がどのようにメモリに保存されるかを示しています。 メモリ内の各ビットには、独自のフェライトリングまたはコアがあります。 これらのコアは、ビット0または1に対応する1つまたは2つの方向に磁化できます。コアは、「プレーン」と呼ばれる4000個の格子にグループ化されます。 特定のアドレスにアクセスするには、ワイヤXとワイヤYをアクティブにして、交差するコアを選択します。 各レベルは、指定されたアドレスに1ビットのデータを格納し、1文字を格納するように折り畳まれます。 バイトを格納するために8レベルが使用されていると想定できますが、IBM 1401はバイトが広く使用される前に作成され、バイナリ10進コード（BCD、バイナリコード10進）で6ビット文字を使用します。 各場所には、フィールドまたは命令の先頭に対応するワードマークと呼ばれる特別なメタデータも少し格納されます。 パリティビットを追加し、各アドレスで8ビットのストレージを取得します。
リファレンスマニュアルの図は、「A」文字がメモリに保存される方法を示しています。
IBM 1401はビジネスコンピューターであったため、バイナリではなく10進数演算を使用しました。 各文字は2進10進コードで、英数字用の2つの「ゾーンビット」が追加されています。 メインフレームは3桁のアドレスを使用していましたが、彼は1000の場所にしかアクセスできないようです。 しかし、トリックは、数百の放電のためのゾーンの2ビットが0から3の1000桁目を与えたことです。その結果、1000を超えるアドレスはデジタルではなく英数字になりました。 ロケーション2345はL45として指定されました。
フェライトコアの特性
フェライトコアの物理的特性はメモリの機能にとって重要であるため、それらを理解することは非常に重要です。 まず、コアを通るワイヤに強い電流が流れると、コアは電流の方向に従って（ ギムレットの法則に従って）磁化されます。 一方向の電流は「1」をコアに書き込み、反対方向の電流は反対の磁化と「ゼロ」をコアに書き込みます。
ヒステリシスはコアの重要な特性です。コアの磁化に影響を与えるには、電流が特定のしきい値を超える必要があります。 小さな電流は効果がありませんが、しきい値を超える電流は、電流の方向に従って磁化状態に遷移する「クリック」を引き起こします。
4Kメモリを搭載したIBM 1401フェライトコアのクローズアップ。 4つのワイヤが各コアを通過します：2つのフィールドワイヤXおよびY、S（センス、ワイヤの読み取り）およびZ（抑制、ワイヤの禁止）
ヒステリシス特性により、特定のコアを選択できます。 「半分」の電流は対応する励起ワイヤXに向けられ、「半分」の電流は対応する励起ワイヤYに向けられます。したがって、他の何千ものコアのうちの1つのコアのみがその状態を変更するのに十分な電流を受け取ります。
最後の重要な特性は、コアが磁化の方向を変えると、このコアを通過する読み取りワイヤに電流を誘導することです。 磁化の方向が変わらない場合、電流はありません。 この誘導電流は、メモリビットの状態を読み取るために使用されます。 その結果、コアから情報を読み取るとき、情報は消去され、上書きする必要があります。
コアレベルの構造
各レベルは、50x80グリッドに配置された4000個のコアで構成されています。 干渉を減らすために、フェライトコアは互い違いに配置されており、各コアは隣接するコアとは反対方向に対角線上にあります。 4本のワイヤがそれぞれを通ります。 水平線は、X励起線とZ抑制線で、記録に使用されます。 垂直ワイヤは励起ワイヤYと読み取りワイヤSです。励起ワイヤXとYはすべてのレベルを通過するため、すべてのレベルに並行してアクセスできます。
IBM 1401フェライトメモリ各レベルには、80x50グリッドに4000個のコアが含まれます。
メモリビットのステータスを読み取るために、フィールドワイヤXおよびYは、選択したコアを「0」方向に磁化します。 コアが以前に状態「1」にあった場合、状態変化は読み取りワイヤSに電流を誘導します。コアがすでに状態「0」にあった場合、電流は誘導されません。 したがって、読み取りワイヤを使用すると、メモリに格納されているビットを判別できます。 読み取り手順は、コアの以前の状態を破壊し、状態「0」に変換します。 各レベルには、レベルのすべてのコアを介して伸びるリード線があります。
情報を記録するには、反対方向の電流を励起ワイヤXおよびYに流して、コアを「1」の状態に磁化します。 コアを「0」状態に保つために、このレベルの禁止のワイヤを介して電流が送信されます。 抑制ワイヤは、励起ワイヤXに平行なすべてのレベルコアを通過します。抑制ワイヤに反対方向の電流がある場合、Xワイヤの電流は補償され、コアの状態は変化しません。 禁止電流は、ビットの状態を単独で変更するには低すぎるため、残りのコアはリセットされません。
下の図は、IBM 1401磁気コアメモリモジュールのレベルトポロジを示しており、ほとんどのコアは図から切り取られており、灰色の破線で示されています。 レベル140の側面には、文書140に従って、AからDの文字がマークされています。側面AとCには56の接点があり、側面BとDには104の接点があります。 すべての連絡先が接続されているわけではありません。
IBM 1401磁気コアモジュールワイヤトポロジ
フィールドワイヤXは緑、フィールドワイヤYは赤です。 フィールドワイヤは、 マトリックススイッチを介して複雑な方法で制御されるため、コアのアドレスは直列に配置されません。 各マトリックススイッチャーは、入力値に応じて、2セットの着信ラインを受け取り、発信電流をアクティブにします。 5x10の励起線Xのマトリックススイッチャーには、水平に5本の入力線と垂直に10本の入力線があり、励起線Xに対応する50の送信値を与えます.10本の入力線は、垂直にユニットのカテゴリに対応し、5本の水平線は数百の数に対応します。
8x10の励起ワイヤYのマトリックススイッチャーには、水平方向に8本の入力ラインと垂直方向に10本の入力ラインがあり、励起ワイヤYに対応する80個の出力値を与えます。垂直方向に10本の入力ラインは数十の放電に対応し、8本の水平ラインは奇数百と千
スキームは複雑すぎるように見えるかもしれませんが、メモリ内のアドレスをデコードするために必要な機器の量を最小限に抑えます。
各半分のレベル（0-1999および2000-3999）には、読み取りワイヤの個別のループが装備されていますが、通常は互いに接続されています。 2本の読み取りワイヤは青色で示されており、Y方向に取り付けられており、干渉によって損傷しないように、読み取りワイヤはきちんと配置されています。 ワイヤは、Y励起ワイヤからのピックアップをキャンセルするために中央で交差します。読み取りワイヤは、各Y励起ワイヤの半分に沿って反対方向に走るため、誘導信号は無効になります。 さらに、干渉を避けるために、読み取りワイヤはレベルの中央からの出力でツイストされています。 （他の多くの磁気コアメモリシステムは、読み取りワイヤを斜めに延長することで干渉を回避していますが、1401では長方形のレイアウトが使用されています）。
各ハーフレベルには個別の禁止ワイヤーがあります。 2本の抑制ワイヤは茶色で示されており、X励起ワイヤと並んで走っています。 通常、2本のワイヤは干渉を減らすために別々に制御されますが、同じ信号を持ちます。 抑制ワイヤは各行で方向を変えるため、代替フィールドワイヤXも各行で異なる電流方向を持ちます。
メインフレームでの磁気コアメモリのマウント方法
次の写真は、ラックに取り付けられたメモリモジュールと、その動作に必要な多数のトランジスタカード（ SMSカード ）を示しています。 トランプのデッキのサイズのSMS（標準モジュラーシステム）の各カードには、いくつかのトランジスタと他のコンポーネントが含まれています。 左側には、マトリックススイッチャー用のDKA カードとAQWカード 、および禁止ワイヤー用のAQVカードがあります。 次の列には、アドレスをデコードするためのカードが含まれています。 3列目には、フィールドワイヤ用のWXおよびAQXカードがあります。 次に、メモリモジュール自体の上部にマトリックススイッチが取り付けられます。
メモリモジュールとIBM 1401メインフレームPCB
下の写真では、メモリモジュールはメインフレームの内側に取り付けられており、その前には、主にアドレスワイヤである黒と黄色のワイヤがたくさんぶら下がっています。 左側のマトリックススイッチ。
ちなみに、1401の興味深い機能の1つが写真に表示されており、コンピューターの上部にカウンターが設置され、コンピューターの時刻が記録されています。 IBMは通常、1日8時間以内に使用するという条件でメインフレームをリースしました。そうしないと、追加料金を支払う必要があります。 （もちろん、24時間365日の料金を最初に選択した場合を除きます）。
右上隅には、電源コンセントがあります-通常のコンセントですが、コンピューターの内部に取り付けられています。
おわりに
磁気コアメモリは、50年代半ばから70年代前半に半導体メモリに置き換わるまで、主要なメモリテクノロジーでした。 当時、フェライトメモリはコンパクトで信頼性が高く、安価なデータストレージを提供していましたが、それ以来、テクノロジーは大きな進歩を遂げています。 メインフレーム1401メモリでは、マシンのサイクル速度は11.5マイクロ秒でしたが、最新のRAMでは5ナノ秒でした。 メモリの量は4K（16Kに拡張可能）で、最新のコンピューターではギガバイト単位で測定されます。 別の4Kモジュールを追加したメインフレームのアップグレードには、20,100ドル（現代のドルでは162,000ドル）かかりました。 現在、16ギガバイトのモジュールは100ドル未満です。 すべてにもかかわらず、時代遅れの磁気コアメモリは、研究する興味深い技術です。
著者は、復元グループ1401の参加者と、この希少性が水曜日と土曜日に公開されるカリフォルニアのコンピューター歴史博物館のスタッフに感謝します。
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