Ртутная линия задержки

Ртутная линия задержки — это электронное устройство, предназначенное для временной задержки электрического сигнала на определённый интервал (от микросекунд до нескольких миллисекунд) путём преобразования его в акустическую волну, распространяющуюся в жидкой ртути. Относится к классы акустических линий задержки, использующих упругие волны в среде. Основной принцип работы основан на значительно более низкой скорости звука в ртути (около 1450 м/с) по сравнению со скоростью распространения электрического тока, что позволяет получить компактное устройство с большим временем задержки. Ртутные линии задержки применялись в основном в ранних электронных вычислительных машинах (ЭВМ) и радиолокационных системах в 1940–1960-х годах, выступая в роли оперативной памяти и запоминающих устройств.

История

Предпосылки создания

Необходимость в устройствах задержки сигнала возникла с развитием радиолокации во время Второй мировой войны. Для обработки отражённых импульсов и подавления помех требовалось запоминать сигнал на короткое время. Первые линии задержки использовали коаксиальные кабели или LC-цепочки, однако они были громоздкими и не обеспечивали достаточного времени задержки при компактных размерах. Альтернативой стало использование акустических волн в твёрдых телах и жидкостях.

Разработка и внедрение

Концепция использования ртути для линий задержки была предложена американским физиком Джоном Преспером Эккертом-младшим в 1944 году. Эккерт, работавший в Университете Пенсильвании над проектом ENIAC, искал способ создания надёжной и быстрой памяти. Ртуть была выбрана благодаря высокой плотности, низкому затуханию звука и стабильности акустических свойств. Первая рабочая ртутная линия задержки была создана в 1945 году.

В 1946 году Эккерт и Джон Мокли использовали ртутные линии задержки в машине EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer). Позже они стали основой памяти для коммерческих компьютеров UNIVAC I (1951) и IBM 701 (1952). В СССР аналогичные разработки велись в Институте точной механики и вычислительной техники под руководством Сергея Лебедева — в машине МЭСМ (Малая электронная счётная машина) использовались ртутные линии задержки для хранения данных.

Упадок

К концу 1950-х годов ртутные линии задержки начали вытесняться более компактными, быстрыми и надёжными запоминающими устройствами на магнитных сердечниках (ферритовой памяти). В 1960-х годах они были полностью заменены в вычислительной технике, но продолжали использоваться в специализированных радиолокационных системах до 1970-х годов, пока не уступили место полупроводниковым линиям задержки и цифровой памяти.

Устройство и принцип действия

Конструкция

Ртутная линия задержки состоит из следующих основных элементов:

• Трубка (канал) из стекла или металла, заполненная очищенной ртутью. Длина трубки варьируется от 10 см до 1,5 м в зависимости от требуемого времени задержки.
• Пьезоэлектрический преобразователь (излучатель) на одном конце трубки — обычно кварцевая пластинка, которая под действием электрического сигнала генерирует механические колебания (ультразвук).
• Пьезоэлектрический преобразователь (приёмник) на другом конце — преобразует акустические колебания обратно в электрический сигнал.
• Согласующие элементы — акустические линзы или отражатели для фокусировки звуковой волны и уменьшения потерь.
• Термостат — для поддержания постоянной температуры ртути, так как скорость звука в ней зависит от температуры (коэффициент около 0,3 м/с на °C).

Принцип работы

Электрический сигнал (например, цифровой импульс) подаётся на излучатель, который преобразует его в ультразвуковую волну с частотой от 5 до 20 МГц. Волна распространяется вдоль трубки со скоростью звука в ртути (около 1450 м/с). Время задержки определяется длиной трубки: для задержки в 1 мс требуется трубка длиной примерно 1,45 м. На приёмном конце волна преобразуется обратно в электрический сигнал, который затем усиливается и регенерируется.

Для использования в качестве памяти сигнал циркулирует по замкнутому контуру: выходной сигнал после усиления снова подаётся на вход, что позволяет хранить бит информации неограниченно долго (при условии стабильности температуры и отсутствия помех). В одной трубке можно хранить последовательность импульсов, соответствующих двоичным данным.

Характеристики

Параметры

• Время задержки: от 100 мкс до 5 мс (типично для ЭВМ — 0,5–2 мс).
• Ёмкость памяти: одна линия могла хранить от 100 до 1000 бит (например, в UNIVAC I — 120 бит на линию, всего 60 линий давали 7200 бит).
• Скорость передачи данных: до 1–2 Мбит/с (ограничена шириной полосы акустического канала).
• Затухание сигнала: около 10–20 дБ на метр длины (требуется периодическая регенерация).
• Температурная стабильность: без термостата дрейф задержки составлял до 0,02% на °C.

Достоинства

• Компактность по сравнению с кабельными линиями задержки: 1 мс задержки в ртути занимает 1,45 м, тогда как в коаксиальном кабеле — около 200 км.
• Относительно низкая стоимость производства в 1940–1950-х годах.
• Возможность циркуляционного хранения данных (регенеративная память).

Недостатки

• Токсичность ртути: утечка могла привести к отравлению персонала.
• Температурная чувствительность: требовалась точная термостабилизация.
• Механическая хрупкость: стеклянные трубки легко повреждались.
• Ограниченная скорость доступа: время доступа составляло половину времени задержки (так как данные считывались последовательно).
• Затухание сигнала: требовалась регенерация каждые 1–2 мс.

Применение

В вычислительной технике

Ртутные линии задержки использовались как оперативная память (ОЗУ) в ранних ЭВМ:

• EDVAC (1949) — 128 линий, общая ёмкость 1024 слова по 44 бита.
• UNIVAC I (1951) — 60 линий, ёмкость 1000 слов по 12 бит (12 000 бит).
• IBM 701 (1952) — 72 линии, ёмкость 2048 слов по 36 бит.
• МЭСМ (1951, СССР) — использовала ртутные линии задержки для хранения команд и данных.

В этих машинах данные хранились в виде циркулирующих последовательностей импульсов. Каждая линия задержки представляла собой регистр сдвига. Для доступа к произвольному биту требовалось дождаться его появления на выходе, что делало такую память последовательной (среднее время доступа — половина времени цикла).

В радиолокации

В радиолокационных станциях (РЛС) ртутные линии задержки применялись для:

• Подавления помех от неподвижных объектов (селекция движущихся целей, СДЦ): сигнал от предыдущего импульса задерживался на время периода повторения и вычитался из текущего, что позволяло выделить движущиеся цели.
• Согласованной фильтрации — для улучшения отношения сигнал/шум.
• Формирования сложных сигналов — например, для линейной частотной модуляции (LFM).

Одной из известных систем была американская РЛС AN/CPS-1 (1944), где использовались ртутные линии задержки для обработки сигналов.

В других областях

• Измерительная техника: для калибровки временных интервалов и генерации задержек в осциллографах и анализаторах цепей.
• Телевидение: в ранних системах цветного телевидения (NTSC) для задержки сигнала цветности на одну строку (63,5 мкс) — однако для этого использовались более компактные кварцевые линии задержки, а не ртутные.

Интересные факты

• В ЭВМ UNIVAC I ртуть для линий задержки поставлялась в специальных контейнерах, а её замена требовала строгих мер безопасности. Сообщалось о нескольких случаях утечки ртути, что приводило к загрязнению помещений.
• В машине EDVAC использовалось 128 ртутных линий задержки общей длиной около 200 метров (все трубки были уложены в шкафу).
• В СССР ртутные линии задержки для ЭВМ «Стрела» (1953) разрабатывались в НИИ-10 (ныне НИИ «Квант»). Для стабилизации температуры использовались водяные рубашки с термостатированием.
• Принцип акустической линии задержки был запатентован Джоном Эккертом в 1945 году (патент US 2,629,827).

Критика и ограничения

Основные критические замечания в адрес ртутных линий задержки касались их токсичности и ненадёжности. Ртуть является сильным ядом, и даже небольшие утечки могли привести к хроническому отравлению персонала. Кроме того, стеклянные трубки часто трескались из-за температурных перепадов, а акустические преобразователи выходили из строя из-за коррозии. В условиях эксплуатации ЭВМ требовалось постоянное обслуживание: регулировка температуры, замена ртути и очистка преобразователей.

С точки зрения скорости, ртутные линии задержки уступали ферритовой памяти (время доступа 1–10 мкс против 0,5–2 мс), а также были менее удобны для организации произвольного доступа к данным. Всё это привело к их быстрому вытеснению из вычислительной техники к началу 1960-х годов.

Источники

• Эккерт Дж. П. «Ртутная линия задержки для цифровых вычислительных машин» (1945) — патент US 2,629,827.
• Мокли Дж. У., Эккерт Дж. П. «EDVAC: отчёт о разработке» (1946) — Университет Пенсильвании.
• Уилкс М. В. «Автоматические цифровые вычислительные машины» (1956) — глава о линиях задержки.
• Лебедев С. А. «Малая электронная счётная машина МЭСМ» (1951) — АН СССР.
• Смит Р. «Ртутные линии задержки в радиолокации» (1953) — журнал «Proceedings of the IRE», том 41, № 4.