Supercon 2022: Andy Geppert bringt den Kernspeicher zurück

Jun 10, 2023

Viele Hackaday-Leser werden mit dem Begriff „Kernspeicher“ vertraut sein, wahrscheinlich aufgrund seiner engen Verbindung zum Apollo Guidance Computer. Aber zu wissen, dass die Technologie einmal existierte und tatsächlich zu verstehen, wie sie funktionierte, ist eine ganz andere Sache. Es ist ein bisschen wie ein elektronisches Äquivalent zum Butterfass – Sie haben davon gehört, Sie könnten wahrscheinlich sogar ein Bild davon erkennen – aber sollte Ihnen jemand eines geben und Sie bitten, es zu bedienen, wird das Ergebnis wahrscheinlich nicht allzu appetitlich sein .

Hier kommt Andy Geppert ins Spiel. Er hat sein persönliches Interesse an magnetischen Kernspeichern in die Aufgabe verwandelt, diese faszinierende Technologie dank einiger moderner Verbesserungen im Rahmen seines Core64-Projekts einer ganz neuen Generation vorzustellen. Durch die Kombination der veralteten Speichertechnologie mit einem modernen Mikrocontroller und LEDs wird daraus ein interaktives visuelles Erlebnis. Allen Widrigkeiten zum Trotz ist es ihm gelungen, eine Technologie, die vor einem halben Jahrhundert dabei half, den Mond zu besteigen, in ein Gerät zu verwandeln, das sowohl Jung als auch Alt fasziniert.

In diesem Vortrag auf der Hackaday Supercon 2022 erklärt Andy dem Publikum zunächst die Grundlagen des Magnetkernspeichers, wie er ursprünglich implementiert wurde. Von dort aus erklärt er die Kette der Ereignisse, die zur Entwicklung des Core64-Projekts führten, und spricht ein wenig darüber, wohin es seiner Meinung nach in der Zukunft führen kann.

Die große Frage lautet also natürlich: Wie funktioniert der Magnetkernspeicher eigentlich? Wenn Sie mit der Technologie aus dem Apollo-Programm vertraut sind, wissen Sie wahrscheinlich, dass es sich dabei um das Flechten von Drähten handelte und sie körperlich robust genug war, um zum Mond und zurück zu gelangen. Aber darüber hinaus wirkt alles ein bisschen wie Magie, besonders für moderne Augen.

Doch in nur wenigen Minuten erklärt Andy die Grundprinzipien auf bemerkenswert einfühlsame Weise. Angesichts seiner praktischen Erfahrung sollte dies natürlich keine große Überraschung sein. Angesichts der Anzahl der Core64-Einheiten, die er persönlich zusammengebaut hat, gibt es wahrscheinlich nur wenige Menschen auf dem Planeten, die in den letzten Jahren so viel Kernspeicher entwickelt haben wie er.

Wie der Name schon sagt, beginnt ein Kernspeicher mit Ferritkernen – und davon gibt es jede Menge. Jeder Kern kann entweder im oder gegen den Uhrzeigersinn magnetisiert werden, was entweder einer Null oder einer Eins entspricht. Kupferdrähte, die in X- und Y-Richtung durch die Ferrite gewebt sind, können die Ausrichtung des Magnetfelds des Kerns umkehren, wenn sie ausreichend mit Energie versorgt werden, was das „Schreiben“ auf ein bestimmtes Bit im Array ermöglicht. Ein diagonal gewebter Sensordraht wird verwendet, um zu erkennen, wann sich die magnetische Ausrichtung eines Kerns geändert hat, um seinen Wert zu lesen. Da es sich dabei jedoch um einen destruktiven Vorgang handelt, muss auf jeden Lesevorgang ein Schreibvorgang folgen, wenn die Daten erhalten bleiben sollen.

Die Skalierung dieses Konzepts zur Erhöhung der Speicherkapazität des Arrays ist einfach, solange Sie die Anzahl der erforderlichen Drähte berücksichtigen können. In den 60er Jahren konnte das eine große Herausforderung sein, aber zum Glück bieten moderne Mikrocontroller wie der Raspberry Pi Pico reichlich GPIO, und Transistoren, die stark genug sind, um die magnetische Ausrichtung jedes Kerns umzudrehen, sind in SMD-Gehäusen erhältlich, die nicht viel größer als die Kerne selbst sind.

Kurz gesagt: Während das manuelle Weben immer noch genauso mühsam ist wie zu Apollo-Zeiten, verfügen wir jetzt über die Technologie, um die Support-Hardware so weit zu verkleinern, dass Sie 64 Bit Kernspeicher unterbringen können die Handfläche. Das ist natürlich nicht besonders nützlich, wenn man eine 128-GB-SD-Karte bekommt, die nur einen Bruchteil der Größe hat. Aber wie Andy herausgefunden hat, ist das Kerngedächtnis zu einigen Tricks fähig, die es etwas interessanter machen.

Andy fand keinen Mangel an Informationen über Magnetkernspeicher und konnte sogar einige physische Beispiele in verschiedenen Museen für Computergeschichte aufspüren. Aber nichts davon ist wirklich vergleichbar mit der Erfahrung, es selbst zu bauen, also begann er, sich von bestehenden Projekten inspirieren zu lassen.

Das führte ihn zu Magnetic Core Memory Reborn, einem Projekt von Ben North und Oliver Nash. Ihre Arbeit dient nicht nur dazu, tief in die Funktionsweise von Magnetkernspeichern einzutauchen, sondern beschreibt auch detailliert den Aufbau eines prototypischen 32-Bit-Speicherarrays, auf das mit einem Standard-Arduino zugegriffen werden kann. Das Duo schien zwar nicht daran interessiert zu sein, das Design selbst zu vermarkten, stellte jedoch alle Schaltpläne und Designdateien zur Verfügung, damit andere daraus bauen konnten.

Eine weitere Suche ergab, dass Jussi Kilpelainen genau das getan und eine kompaktere Version seines 32-Bit-Arduino-Arrays erstellt hatte. Noch besser: Er stellte es auf Tindie als Bausatz zur Verfügung, was bedeutete, dass Andy endlich die praktische Erfahrung mit dem Kernspeicher machen konnte, nach der er gesucht hatte.

Aber wie heißt es so schön: Vorfreude ist oft spannender als das Endergebnis. Nachdem Andy Jussis Kernspeicherbausatz zusammengebaut hatte, war er sich nicht ganz sicher, was er damit machen sollte. Da das Hinzufügen von LEDs alles besser macht, kam er auf die Idee, sie hinter dem Array zu platzieren, um den Zustand jedes Kerns zu visualisieren, und konnte sogar ein handelsübliches LED-Modul finden, das nahezu dem entspricht Die gleichen Abmessungen und die gleiche Teilung wie das Gewebe.

Nachdem er diese frühe Version vorgeführt hatte, war das Feedback, das er erhielt, so positiv, dass er beschloss, den Schritt zu wagen und seine eigene benutzerdefinierte Leiterplatte zu entwerfen, die diese beiden sehr unterschiedlichen Technologien in einem größeren 64-Bit-Array zusammenführen würde.

Laut Andy war es reiner Zufall, dass er erkannte, dass man durch die Beeinflussung der Kerne mit einem Handmagneten auf die dahinter liegenden LEDs „zeichnen“ konnte. Dass ein Magnet den Zustand jedes Kerns umkehren könnte, mag im Nachhinein offensichtlich erscheinen, aber ohne die neuartige Hinzufügung des LED-Arrays dahinter hätte es keine praktische Anwendung gegeben. Was 1960 noch als Fehler galt, war heute ein Merkmal.

Wenn Sie einem der Ingenieure hinter dem Apollo Guidance Computer gesagt hätten, dass Kinder in 60 Jahren tatsächlich mit dem Kernspeicher spielen würden, mit dem sie gerade arbeiten, hätten sie Sie für verrückt gehalten. Aber hier sind wir.

Durch das Hinzufügen von RGB-LEDs auf der Rückseite und das Anbringen einer durchsichtigen Schutzplatte auf der Vorderseite verwandelt der Core64 eine Reihe von Speicher in einen Touchscreen mit niedriger Auflösung. Von da an schrieben sich die Anwendungen praktisch von selbst, beispielsweise eine einfache Zeichenanwendung und Versionen klassischer Spiele wie Snake. Diese interaktive Fähigkeit macht es zu einem leistungsstarken Lehrmittel, das frühe Computerkonzepte auf eine Weise demonstriert, die für das moderne Publikum verständlich ist.

Alles in allem ist es wahrscheinlich die nützlichste Arbeit, die jemals jemand aus nur 64 Bit RAM herausgeholt hat.