Tambour magnétique

Son fonctionnement repose sur une idée simple : le cylindre tourne en permanence devant des têtes capables de lire ou de modifier les informations enregistrées à sa surface.

Des machines comme le Harvard Mark III, l’ERA 1101 ou surtout l’IBM 650 utilisent cette technologie avant que la mémoire à tores de ferrite ne s’impose comme mémoire centrale.

Fiche rapide

• Nom : tambour magnétique
• Nom anglais : magnetic drum ou drum memory
• Inventeur : Gustav Tauschek
• Apparition : 1932
• Principe : stockage magnétique sur la surface d’un cylindre
• Lecture et écriture : têtes électromagnétiques
• Organisation : pistes circulaires parallèles
• Type : mémoire non volatile
• Utilisation principale : mémoire centrale puis stockage secondaire
• Période importante : années 1940 à 1960

1932 : Gustav Tauschek invente le tambour magnétique

L’origine du tambour magnétique précède les premiers ordinateurs électroniques.

En 1932, l’ingénieur autrichien Gustav Tauschek travaille en Allemagne sur des systèmes destinés aux machines utilisant des cartes perforées. Il développe un dispositif capable de conserver des informations grâce à la magnétisation de la surface d’un cylindre. Des têtes électromagnétiques permettent d’enregistrer puis de retrouver les informations placées à différentes positions du cylindre.

Tauschek dépose plusieurs brevets autour de cette technologie. IBM acquiert ensuite les droits sur cette invention ainsi que sur plusieurs de ses autres travaux.

Le principe est posé : une surface magnétique peut servir de mémoire réinscriptible.

Il faudra cependant attendre les années 1940 pour que cette idée soit largement adaptée aux ordinateurs numériques.

Comment fonctionne un tambour magnétique ?

Le cœur du dispositif est un cylindre métallique qui tourne rapidement.

Sa surface est recouverte d’un matériau ferromagnétique capable de conserver une aimantation. Les informations sont réparties sur plusieurs pistes circulaires disposées les unes à côté des autres autour du tambour. On peut imaginer ces pistes comme de nombreuses lignes dessinées autour d’un rouleau.

Des têtes de lecture et d’écriture sont placées très près de la surface. Sur de nombreux modèles, chaque piste possède sa propre tête fixe. Il n’est donc pas nécessaire de déplacer mécaniquement une tête d’une piste à l’autre.

Le tambour tourne simplement sous les têtes.

Comment un bit est-il enregistré ?

Le principe est celui de l’enregistrement magnétique. Lors de l’écriture, la tête crée un champ magnétique qui modifie localement l’état de la couche déposée sur le tambour. Ces variations représentent les informations numériques. Lors de la lecture, la tête détecte les changements de magnétisation lorsque les zones enregistrées passent devant elle. Le signal électrique obtenu est ensuite amplifié et interprété par les circuits de l’ordinateur.

Contrairement à une mémoire à tores, la lecture ne détruit pas normalement l’information. De plus, l’état magnétique peut subsister lorsque l’alimentation électrique est coupée : le tambour constitue donc une mémoire non volatile.

Pourquoi faut-il attendre pour accéder à une donnée ?

Le tambour possède une contrainte fondamentale : il tourne.

Supposons que le processeur demande une information enregistrée sur une piste précise. La tête correspondant à cette piste peut déjà être prête à lire. Mais si l’information vient juste de passer devant elle, il faut attendre presque un tour complet avant qu’elle revienne.

Le temps nécessaire s’appelle la latence rotationnelle. En moyenne, il faut attendre environ un demi-tour.

On peut comparer le fonctionnement à un manège :

la piste est immédiatement accessible, mais il faut attendre que la bonne information passe devant la tête.

Cette contrainte rapproche le tambour de la mémoire à lignes à retard : dans les deux cas, le moment où une information devient disponible dépend de sa position dans un cycle.

Le tambour magnétique comme mémoire principale

Cela peut sembler étrange aujourd’hui, mais plusieurs ordinateurs utilisent le tambour comme leur mémoire centrale.

Les instructions du programme et les données nécessaires aux calculs sont directement enregistrées sur le cylindre.

Le processeur lit donc régulièrement le tambour pour récupérer :

• la prochaine instruction à exécuter ;
• les nombres nécessaires au calcul ;
• les résultats précédemment enregistrés.

Cette organisation possède une conséquence importante.

La vitesse d’exécution d’un programme dépend non seulement du processeur, mais également de la position physique des instructions sur le tambour.

Les programmeurs doivent parfois tenir compte de sa rotation lorsqu’ils organisent leurs programmes.

L’IBM 650 : l’ordinateur emblématique du tambour magnétique

L’IBM 650, annoncé en 1953, constitue probablement l’exemple le plus célèbre d’ordinateur utilisant un tambour comme mémoire principale.

Le modèle initial peut conserver 2 000 mots de 10 chiffres décimaux, accompagnés d’un signe.

Le tambour tourne à environ : 12 500 tours par minute soit un tour en un peu moins de 5 millisecondes.

Le temps d’attente moyen avant qu’un mot arrive devant sa tête est donc d’environ 2,4 millisecondes. Chaque instruction du 650 contient notamment l’adresse des données à utiliser mais aussi l’adresse de la prochaine instruction.

Cette particularité permet justement aux programmeurs de répartir les instructions sur le tambour afin de réduire les temps d’attente. L’IBM 650 connaît un succès considérable et devient l’un des ordinateurs les plus diffusés des années 1950.

Le document consacré à l’histoire informatique de l’Observatoire de Paris donne un exemple concret : l’IBM 650 installé à l’Observatoire en 1959 utilise lui aussi un tambour de 2 000 mots tournant à environ 12 500 tours par minute.

Le tambour ne sert pas uniquement de mémoire principale

Lorsque les mémoires électroniques deviennent plus rapides, le tambour ne disparaît pas immédiatement.

Il peut désormais servir de mémoire secondaire. Un ordinateur conserve ses données et ses programmes actifs dans une mémoire plus rapide, tandis que le tambour accueille des informations utilisées moins fréquemment.

L’IBM 704, par exemple, utilise une mémoire à tores comme mémoire principale mais peut être associé à un tambour magnétique servant d’extension de stockage.

Le principe est également employé dans les premiers systèmes de temps partagé.

En 1962, un tambour est ajouté au PDP-1 utilisé chez BBN. Il permet de transférer temporairement l’état d’un utilisateur hors de la mémoire principale pendant que la machine travaille pour un autre utilisateur.

Ce mécanisme préfigure ce que l’on appellera ensuite le swap.

Tambour magnétique et disque dur : quelle différence ?

Le tambour magnétique et le disque dur reposent sur le même principe général : enregistrer des informations sur une surface magnétique en mouvement.

Leur géométrie diffère cependant.

Dans un tambour :

• la surface d’enregistrement est un cylindre ;
• les pistes entourent le cylindre ;
• de nombreux modèles disposent d’une tête fixe pour chaque piste ;
• l’attente provient principalement de la rotation.

Dans un disque dur classique :

• les informations sont enregistrées sur des plateaux circulaires ;
• les pistes sont des cercles concentriques ;
• les têtes se déplacent généralement pour atteindre la piste recherchée ;
• il faut donc ajouter au délai de rotation un temps de déplacement des têtes.

En 1956, l’IBM 305 RAMAC illustre parfaitement cette transition.

Son unité centrale utilise encore un tambour magnétique, tandis que les grandes quantités de données sont conservées dans l’IBM 350, premier système commercial de stockage sur disques.

Les deux technologies coexistent donc dans la même machine.

Pourquoi le tambour magnétique a-t-il été important ?

À la fin des années 1940 et au début des années 1950, construire une mémoire fiable et suffisamment grande constitue l’un des principaux problèmes de l’informatique.

Le tambour apporte une solution relativement robuste.

Il offre notamment :

• un stockage réinscriptible ;
• une conservation des informations sans alimentation ;
• une capacité intéressante pour l’époque ;
• une bonne fiabilité par rapport à certaines mémoires électroniques expérimentales ;
• la possibilité de conserver aussi bien des instructions que des données.

Le tambour contribue ainsi au développement des premiers ordinateurs à programme enregistré et à leur diffusion commerciale.

Pourquoi a-t-il été remplacé ?

Son principal défaut reste mécanique. Même si la tête correspondant à une piste est immédiatement disponible, il faut attendre la rotation du cylindre pour que l’information recherchée passe devant elle. À partir du début des années 1950, la mémoire à tores de ferrite devient beaucoup mieux adaptée à la mémoire centrale.

Elle offre un accès beaucoup plus rapide et ne dépend pas de la position d’un cylindre en rotation.

Pour le stockage de grandes quantités de données, les disques magnétiques prennent progressivement l’avantage. Ils permettent d’augmenter fortement les capacités sans devoir multiplier les têtes fixes correspondant à chaque piste.

Ainsi, deux technologies remplacent progressivement le tambour dans ses deux fonctions principales :

mémoire à tores → mémoire centrale
disque magnétique → stockage de masse

Les tambours continuent néanmoins à être employés dans certains systèmes spécialisés pendant plusieurs décennies.

Une mémoire entre l’électronique et la mécanique

Le tambour magnétique occupe une place particulière dans l’histoire des mémoires informatiques.

Les informations sont stockées magnétiquement, mais leur disponibilité dépend encore du mouvement mécanique d’un cylindre.

Il représente ainsi une étape entre les premières solutions expérimentales de mémoire et les systèmes modernes à accès rapide.

Son principe laisse également un héritage durable.

Pistes magnétiques, têtes de lecture et d’écriture, latence rotationnelle : plusieurs notions utilisées avec les premiers tambours se retrouveront ensuite dans les disques durs.