Mémoire à lignes à retard
Fiche rapide
- Nom : mémoire à lignes à retard
- Nom anglais : delay-line memory
- Origine : technologies de retard acoustique développées pour le radar
- Adaptation comme mémoire informatique : J. Presper Eckert, 1944
- Premier support courant : mercure
- Type d’accès : séquentiel
- Volatilité : mémoire volatile
- Période principale d’utilisation : fin des années 1940 et années 1950
Des radars aux premières mémoires informatiques
Les lignes à retard ne sont pas inventées directement pour les ordinateurs.
Pendant la Seconde Guerre mondiale, les ingénieurs travaillant sur le radar cherchent des moyens de retarder précisément certains signaux. William Shockley, aux Bell Labs, travaille notamment sur des dispositifs acoustiques destinés à ce type d’application.
À la Moore School, J. Presper Eckert et T. Kite Sharpless expérimentent à leur tour ces techniques et réalisent en 1943 une ligne utilisant du mercure.
Eckert comprend ensuite qu’il est possible d’aller plus loin. Au lieu de laisser disparaître le signal lorsqu’il arrive au bout de la ligne, il suffit de le détecter, de le régénérer et de le renvoyer au début.
Au printemps 1944, il met en œuvre ce principe de recirculation. La ligne à retard ne sert plus seulement à retarder un signal : elle peut désormais conserver une succession d’informations.
Cette idée est ensuite intégrée aux réflexions menées autour du successeur de l’ENIAC, l’EDVAC.
Qu’est-ce qu’une mémoire à lignes à retard ?
Une mémoire à lignes à retard conserve les bits sous la forme d’une succession d’impulsions qui se déplacent.
Dans les premiers modèles au mercure, une impulsion électrique est transformée en une onde acoustique. Cette onde traverse une colonne de mercure puis est reconvertie en signal électrique à l’autre extrémité.
Le signal est alors amplifié et réinjecté au début de la ligne.
Le cycle recommence continuellement : signal électrique → onde acoustique → signal électrique → réinjection
L’information n’est donc pas immobile comme dans une mémoire moderne.
Les bits circulent en permanence.
Comment plusieurs bits sont-ils stockés dans une même ligne ?
Une ligne à retard contient une succession d’impulsions séparées dans le temps.
On peut l’imaginer comme une file de bits :
1 0 1 1 0 0 1 0 ...
Ils voyagent les uns derrière les autres dans le milieu acoustique.
Le délai de propagation permet donc de maintenir simultanément plusieurs bits dans une même ligne.
Une ligne peut contenir plusieurs mots mémoire, et un ordinateur utilise généralement plusieurs lignes fonctionnant ensemble pour obtenir la capacité nécessaire.
Cette méthode présente cependant une particularité fondamentale : les informations ne sont accessibles que lorsqu’elles arrivent au point de lecture.
Pourquoi cette mémoire est-elle séquentielle ?
Avec une mémoire moderne, le processeur fournit une adresse et accède directement à la donnée correspondante.
Une ligne à retard fonctionne autrement.
Les données circulent continuellement dans une boucle. Pour lire un mot précis, l’ordinateur doit attendre qu’il arrive à l’extrémité de la ligne.
Si le mot recherché vient juste de passer, il faut attendre presque un tour complet. On peut comparer le système à un manège : la donnée recherchée tourne avec les autres et l’ordinateur doit attendre qu’elle revienne devant lui.
Le temps d’accès varie donc selon la position momentanée du mot dans la ligne.
Cette contrainte influence même la programmation de certaines machines. Les programmeurs peuvent placer les instructions de façon à ce que l’instruction suivante arrive au point de lecture au moment où le processeur est prêt à l’exécuter.
Comment lit-on et écrit-on une information ?
Lorsque les impulsions atteignent l’extrémité de la ligne, elles sont reconverties en signaux électriques. Le circuit peut alors lire les données avant de les régénérer et de les réinjecter. Pour écrire une nouvelle valeur, il suffit de modifier les impulsions au moment précis où elles passent dans l’électronique de régénération.
Contrairement à la mémoire à tores de ferrite, la ligne à retard est volatile.
Si l’alimentation s’arrête, la régénération cesse et les informations disparaissent.
Pourquoi utiliser du mercure ?
Le mercure convient bien aux premières lignes à retard parce qu’il permet aux ondes acoustiques de se propager de manière suffisamment régulière et lente pour obtenir un délai exploitable.
Des cristaux piézoélectriques placés aux deux extrémités servent de transducteurs :
- le premier transforme les impulsions électriques en vibrations acoustiques ;
- le second transforme les vibrations reçues en impulsions électriques.
Le système présente néanmoins une contrainte importante : la vitesse du son dans le mercure varie avec la température.
Or le fonctionnement de la mémoire repose sur une synchronisation très précise.
Les systèmes au mercure doivent donc contrôler soigneusement leur température afin que les impulsions arrivent au bon moment.
À cela s’ajoutent le poids et l’encombrement importants des réservoirs contenant le mercure.
Les lignes à retard dans les premiers ordinateurs
La ligne à retard arrive à un moment décisif de l’histoire de l’informatique.
Les premiers calculateurs électroniques peuvent déjà effectuer des opérations à grande vitesse, mais construire une mémoire électronique possédant une capacité suffisante reste très coûteux.
La ligne à retard offre une solution relativement économique pour conserver à la fois les données et les instructions.
En août 1944, Eckert et John Mauchly décrivent explicitement la possibilité d’utiliser ces lignes pour stocker non seulement des nombres, mais également des codes représentant les opérations à effectuer.
Cette possibilité devient particulièrement importante avec le développement des ordinateurs à programme enregistré.
1949 : l’EDSAC utilise les lignes à retard
En mai 1949, l’EDSAC, construit à l’université de Cambridge sous la direction de Maurice Wilkes, exécute ses premiers programmes.
Sa mémoire centrale utilise des lignes à retard remplies de mercure.
L’EDSAC possède initialement 512 mots de 35 bits stockés dans plusieurs dizaines de lignes.
Cette technologie lui permet de conserver directement en mémoire les instructions du programme et les données nécessaires aux calculs.
Elle devient ainsi l’un des premiers exemples importants d’utilisation pratique de la mémoire à lignes à retard dans un ordinateur à programme enregistré.
De l’EDVAC à l’UNIVAC
La technologie est également employée dans plusieurs machines issues directement des travaux de la Moore School.
Le BINAC, construit par Eckert et Mauchly, utilise des lignes à retard dès 1949.
L’EDVAC, développé à la Moore School et mis en service au début des années 1950, repose lui aussi sur une mémoire à lignes à retard.
Enfin, l’UNIVAC I, dont le premier exemplaire est livré au Bureau du recensement américain en 1951, utilise une mémoire centrale au mercure.
Dans l’UNIVAC, les mots circulent continuellement dans les lignes et le processeur attend que celui dont il a besoin atteigne le point de lecture.
La ligne à retard est donc devenue, pendant quelques années, une technologie réellement utilisée dans des ordinateurs scientifiques et commerciaux.
Les lignes à retard sans mercure
Le principe ne disparaît pas immédiatement avec les grandes installations au mercure.
Des lignes à retard magnétostrictives utilisent ensuite un fil ou une bande métallique.
Une impulsion électrique provoque une petite déformation mécanique du matériau. Cette perturbation se déplace le long du fil puis est reconvertie en signal électrique à l’autre extrémité.
Le principe reste le même : faire circuler les informations pour les conserver.
Ces mémoires sont plus compactes et continuent à être utilisées dans certaines machines au cours des années 1960, notamment dans des calculatrices électroniques comme la Friden EC-130 et l’Olivetti Programma 101.
Pourquoi les lignes à retard ont-elles été importantes ?
Avec nos mémoires actuelles, attendre qu’une donnée « revienne » semble particulièrement inefficace.
Mais à la fin des années 1940, les ingénieurs disposent de très peu de solutions permettant de construire une mémoire suffisamment rapide et de capacité raisonnable.
Les lignes à retard offrent plusieurs avantages :
- une technologie réalisable avec les composants disponibles ;
- une capacité supérieure à celle de coûteux registres utilisant uniquement des tubes électroniques ;
- une vitesse adaptée aux premiers ordinateurs électroniques ;
- la possibilité de conserver données et instructions dans une même technologie de mémoire.
Elles contribuent ainsi directement à rendre possibles plusieurs des premiers ordinateurs à programme enregistré.
Pourquoi les mémoires à tores de ferrite les remplacent-elles ?
Le principal défaut des lignes à retard vient de leur fonctionnement même : l’accès aux informations est séquentiel.
Le processeur doit régulièrement attendre que la donnée recherchée arrive au point de lecture.
À partir des années 1950, la mémoire à tores de ferrite apporte une solution beaucoup mieux adaptée aux ordinateurs.
Chaque bit possède désormais un emplacement magnétique identifiable et les mots peuvent être sélectionnés directement.
La mémoire à tores offre également une bonne fiabilité et conserve ses informations lorsque l’alimentation est coupée.
Elle devient progressivement la technologie dominante des années 1950 et 1960.
Les lignes à retard continuent quelque temps dans certaines machines et calculatrices, puis les mémoires à semi-conducteurs finissent par remplacer ces deux technologies au cours des années 1970.
Une mémoire où les données voyagent
La mémoire à lignes à retard représente une étape étonnante mais essentielle de l’histoire de l’informatique.
Contrairement aux mémoires modernes, elle ne conserve pas chaque information à une position fixe : les bits existent sous forme d’impulsions qui circulent continuellement.
Son importance vient surtout de son apparition au moment où les premiers ordinateurs électroniques ont besoin d’une mémoire suffisamment rapide pour conserver non seulement leurs données, mais également leurs programmes.
En transformant en 1944 une technologie issue du radar en mémoire numérique à recirculation, J. Presper Eckert contribue ainsi à résoudre l’un des problèmes essentiels qui séparent encore l’ENIAC des ordinateurs à programme enregistré.
