Un poco de ciencia, por favor

Los orígenes del almacenamiento de la información (IV): las memorias de ferritas

Ignacio Mártil
Catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y miembros de la Real Sociedad Española de Física

 

En los anteriores artículos de esta serie he descrito las tarjetas perforadas, las cintas para almacenar sonido y los tubos Wiliams-Kilburn, los tambores y las cintas magnéticas de almacenamiento de datos binarios. En este vamos a ver una de las grandes invenciones en este campo, que se produjo durante la década de 1950.


1. Memorias de ferritas o de núcleo magnético

Uno de los avances más importantes y decisivos en la tecnología de la memoria de los ordenadores se produjo en 1952 cuando Jay W. Forrester (1918-2016), ingeniero del Massachusetts Institute of Technology (MIT), inventó la memoria de núcleo magnético (denominadas también, de forma equivalente e indistinta, memorias de ferritas). Era un dispositivo constituido por una matriz de multitud de minúsculos anillos de un material duro denominado ferrita, que tiene excelentes propiedades de imanación:

Izquierda: imagen aumentada de una zona de una memoria de anillos de ferrita. Derecha: una de tales ferritas sobre la yema de un dedo, para hacerse una idea de su reducido tamaño

 

Esta tecnología permitió apilar sucesivas capas constituidas por esos núcleos para guardar miles de bytes, a precios asequibles. Solo la llegada del disco duro magnético a finales de la década de 1960 y la tecnología de memorias basadas en semiconductores, desarrollada por Intel en la década de 1970, reemplazó las memorias de núcleo magnético como la tecnología de almacenamiento de referencia; esto lo veremos en artículos posteriores de esta serie.

Las ferritas formaron parte de un conjunto más amplio de tecnologías, que sirvieron de puente entre las válvulas de vacío, la tecnología electrónica hegemónica en la primera mitad del siglo XX y la tecnología de semiconductores, que llegarían en las décadas siguientes; la tecnología de ferritas utilizó con notable éxito las propiedades magnéticas de esos materiales para realizar las funciones de almacenamiento de datos.

Las ferritas se insertaban en ciertas posiciones de una malla de cables que transportaban corriente, dichos cables realizaban las tareas de escritura, lectura y direccionamiento de los datos almacenados en los pequeños imanes, unos diminutos anillos toroidales con forma de "donut", denominados núcleos de ferrita, un material que puede mantener por tiempo indefinido un campo magnético en una de dos direcciones opuestas, lo que se usaba para representar y almacenar un "1" o un "0" en cada núcleo; es decir, cada ferrita podía almacenar un bit de datos. Como se muestra en la siguiente imagen, las ferritas se situaban en ciertas posiciones donde se cruzaban los cables, que mantenían o cambiaban su estado de imanación como método de codificación de la unidad de información, el bit, dando así lugar a una matriz muy densa de estos pequeñísimos anillos:

 Izquierda: tarjeta de una memoria de núcleos de ferrita. La imagen muestra una memoria de 32 × 32 núcleos, capaz de almacenar 1024 bits de datos, la tarjeta de la imagen tenía unas dimensiones de 10 cm × 10 cm. Derecha: primer plano de una zona de la memoria; la separación entre los diversos anillos de ferrita es de 1 mm aproximadamente. Los cables horizontales verdes realizaban la escritura (es decir, producían la imanación); por la parte posterior, en vertical, se ven cables de color marrón oscuro, que eran los encargados de seleccionar el anillo requerido dentro de la matriz (acción de direccionamiento); los cables de color naranja, situados en diagonal en la malla, detectaban el estado de imanación de cada ferrita, es decir, realizaban la lectura

 

Como ya he indicado, era necesario uno de estos anillos por cada bit de información. En este vídeo se pueden ver con algo más de detalle los principios de funcionamiento de estas memorias:

Los núcleos mostrados en el vídeo anterior son realmente grandes, ya que se pueden ver fácilmente a simple vista; fueron los primeros que llegaron al mercado. En años posteriores, sobre todo en la década de 1960, dichos núcleos redujeron su tamaño y a simple vista ya no se podían distinguir unos de otros, se veían como un enjambre de puntos negros, amenos que se usara una lupa para distiguirlos.

Como dato digno de mencionar, las memorias de núcleo magnético equiparon a los ordenadores del sistema de guía de las naves del Programa Apolo, el conocido como Apolo Guidance Computer (AGC), que se muestran a continuación: 

Una de las tarjetas de la memoria RAM de núcleo magnético de 1024 bits del ordenador de las naves Apolo; tienen unas dimensiones de 7.5 cm × 7.5 cm

 

Forrester patentó en 1951 esta memoria -Patente US 2.736.880 "Multicoordinate digital information storage device"-. Lo sustancial de su invención y de la forma de trabajo de la memoria se puede describir de la siguiente forma: la malla constituida por los anillos de ferrita y los cables metálicos que las atraviesan, permitía guardar y recuperar la información codificada en código binario. La capacidad de identificar un anillo específico dentro de la malla, independientemente de la posición donde estuviera el anillo, creó una innovación trascendental en informática, dando origen a lo que desde entonces se conoce como Memoria de Acceso Aleatorio (Random Access Memory) [1], por contraste con las memorias de acceso secuencial, en las que, para acceder a un determinado dato, había que recorrer todos los datos anteriores, lo que hacía el trabajo de los ordenadores muy lento; la Memoria de Acceso Aleatorio condujo a una ganancia decisiva: la velocidad. En este enlace se puede apreciar en todo su detalle la memoria de núcleo magnético del ordenador IBM 1401, uno de los ordenadores más vendidos por la compañía durante la década de 1960.

Las memorias de núcleo magnético mostraron unas propiedades excelentes: alta velocidad, fiabilidad, acceso rápido a cualquier bit de información y capacidad de almacenamiento permanente; todo ello favoreció la excelente y generalizada aceptación de esta tecnología como la preferida para la memoria principal de los ordenadores de las décadas de 1950 y 1960.

 

2. El primer ordenador digital: Whirlwind

En 1953, el MIT desarrolló el primer ordenador que utilizó esta tecnología; llamaron a dicho equipo Whirlwind (torbellino). Whirlwind fue el primer ordenador totalmente digital -es decir, que para almacenar los datos utilizaba el código de "1" y "0", codificados a partir de los dos valores del campo magnético de los núcleos de ferrita-, capaz de operar en tiempo real.

El origen de este ordenador, como muchos avances producidos en la Electrónica de las décadas de 1950 y 1960, hay que situarlo en el contexto del final de la Segunda Guerra Mundial (SGM) y los comienzos de la Guerra Fría: durante la SGM, la Marina de los EEUU solicitó ayuda al MIT para diseñar un simulador de vuelo que utilizara un ordenador electromecánico analógico. En el curso del trabajo preliminar, el equipo del MIT fue a analizar el funcionamiento del ordenador ENIAC (del que ya hemos visto detalles en el artículo anterior de esta serie), instalado en la Universidad de Pennsylvania. Forrester, a quien se había encargado el proyecto,  pensó cómo superar algunas de las limitaciones de ENIAC e imaginó que el problema se podría resolver con un ordenador digital, es decir, que trabajara en código binario. Esto se pudo materializar gracias a la genial idea de Forrester de utilizar la memoria de núcleos de ferrita descrita en el punto anterior, que revolucionó el rendimiento y la velocidad de la máquina. De hecho, la parte clave del diseño de Whirlwind fue precisamente la memoria de núcleo magnético, que resultó ser muy rápida y muy fiable, permitiendo sustituir los tubos Wiliams-Kilburn, descritos en el artículo anterior de esta serie. Esto ocurría en el verano de 1953:

 Memoria del ordenador Whirlwind. Las tarjetas de ferritas se apilaban unas encima de otras, formando una matriz tridimensional. En la parte superior de la imagen se aprecian multitud de válvulas de vacío, que eran los responsables del procesado de los datos

 

Pocos años después del final de la SGM, alrededor de 1949, la Armada perdió interés en el ordenador Whirlwind y consideró abandonar su desarrollo, debido, entre otros factores, a su elevado coste. Pero el 22 de agosto de ese año, la Unión Soviética detonó su primera bomba atómica, lo que llenó de preocupación al gobierno; los mandos del ejército se dieron cuenta de que los ordenadores serían esenciales en la defensa del país, especialmente ahora que la URSS disponía de la capacidad nuclear. Dado que Whirlwind era el ordenador más avanzado del que disponía la Marina en ese momento, de repente se vio que podría ser una solución para incorporarlo en un sistema de defensa aérea global, basado en tierra y que cubriera todo el territorio de los EEUU. Forrester ayudó al desarrollo de los ordenadores de control del sistema, denominado Semi-Automatic Ground Environment (SAGE), una red de estaciones de radar guiados por una versión mejorada del ordenador Whirlwind, que vigilaban el espacio aéreo del país. En 1953, la memoria de núcleo magnético de Forrester se incorporó a los ordenadores del sistema, lo que le dotó de unas propiedades de velocidad de respuesta frente a amenazas que le hicieron inigualable. SAGE comenzó a funcionar en 1958 y fue el elemento central de la defensa aérea de los EEUU hasta la década de 1980.

 

3. Dificultades

Las memorias de núcleo magnético, siendo más rápidas y más eficientes que las tarjetas perforadas y los tubos Wiliams-Kilburn, se hicieron populares muy rápidamente. Sin embargo, fabricarlas era una tarea delicada, difícil y muy costosa en términos de la gran cantidad de mano de obra que se necesitaba, ya que había que dedicarle muchos recursos para su fabricación, tanto en tiempo como en trabajadores. Era una tarea laboriosa, que empleaba principalmente a mujeres con buen pulso y equipadas cada una con un microscopio para llevar a cabo la tediosa tarea de pasar, uno a uno, los cables a través de los pequeños agujeros de las ferritas. Así, se entiende fácilmente que el ensamblaje de los planos de memoria de núcleo magnético resultaran una tarea muy intensiva en mano de obra; con el paso del tiempo se convirtió en una de las primeras operaciones de fabricación de componentes electrónicos, que las empresas involucradas de los EEUU trasladaron a fábricas asiáticas; es uno de los primeros procesos de deslocalización industrial de los que se tiene noticia. Paulatinamente, el coste de operación de las memorias se redujo de 1 dólar/bit del Whirlwind, a 1 céntimo de dólar/bit a finales de la década de 1960, poco antes de la llegada de las memorias de semiconductores.

 

4. Epílogo: todo llega a su fin

La introducción, a mediados de la década de 1960 de los primeros discos duros magnéticos y de los primeros chips de memoria basados en semiconductores, a comienzos de la década de 1970, comenzó a erosionar el mercado de las memorias de núcleo magnético. Las mejoras en los procesos de fabricación de los nuevos dispositivos condujeron a rápidos aumentos en la capacidad de almacenamiento y a reducciones en el precio por bit, mientras que los costes y las prestaciones de las memorias de ferrita se mantuvieron prácticamente inalterables, habida cuenta de que su tecnología ya no tenía margen de mejora. Las memorias de ferritas fueron desapareciendo gradualmente del mercado entre 1970 y 1980, aunque todavía a mediados de la década de 1970, un porcentaje significativo de los ordenadores en uso utilizaban aún memorias de núcleo magnético.

Veremos todos los detalles concernientes a los discos duros magnéticos y a las memorias basadas en semiconductores en artículos posteriores de esta serie.

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[1] Estrictamente, las memorias de acceso aleatorio ya eran funcionales con los tubos Wiliams-Kilburn. Lo novedoso de la invención de Forrester fue la generalización de su uso en multitud de ordenadores diferentes.