La memoria a nucleo di ferrite, come tante altre scoperte in campo tecnologico, è stata creata per un preciso scopo: la supremazia bellica. Il teatro del Pacifico è ormai aperto e la U.S. Navy necessita di un dispositivo dalla complessità mai vista prima: la creazione di un simulatore di volo per fare in modo che i piloti possano essere addestrati all’utilizzo dei bombardieri. Non è sufficiente mettere a punto un qualsiasi simulatore di volo, ne serve uno basato sul modello fisico dell’aerodinamica del velivolo e che possa simulare il comportamento di qualsiasi tipo di aereo, in tempo reale. Si tratta di un progetto faraonico per gli anni ’40, la classica specifica che nessun progettista vorrebbe ricevere sulla propria scrivania. Il rischio di fallire è altissimo, ma stiamo parlando della Marina Militare degli Stati Uniti d’America, c’è una guerra da vincere e l’eventualità di fallire non è nemmeno da prendere in considerazione. Si tratta di partire da un foglio bianco, non c’è nulla infatti che sia già stato realizzato e che si avvicini lontanamente alle specifiche richieste da una macchina del genere.

Chiunque a questo punto avrebbe già un gran mal di testa, ma la scrivania in questione è quella di Jay Forrester del Massachussets Institute of Technology. Lo scoglio principale è proprio la caratteristica di elaborazione in “Tempo Reale“, perchè in questo modo la tradizionale modalità “Batch” alla base di ogni calcolatore degli Anni CInquanta diventa totalmente inutile: il normale procedimento dato dalle schede preforate con le quali si impartiscono istruzioni al calcolatore (Input) per generare risultati (Output), non è utilizzabile con dati in ingresso che cambiano continuamente generando output in real time. Se non vi è chiara la complessità del problema, pensate a quante volte un pilota agisce sulla cloche dell’aereo per cambiare l’assetto di volo, far virare l’aereo a destra o a sinistra, dando potenza ai motori e quant’altro. Allo stesso tempo, il modello fisico deve corrispondere al reale, per far percepire al pilota stesso il comportamento del velivolo (mai sentito parlare della Condizione di Kutta e delle equazioni di Navier-Stokes?).

Il primo prototipo basato sulle memorie a Tubo Williams era in grado di garantire l’elaborazione di 20.000 istruzioni al secondo. Fantascienza? Per l’epoca senz’altro. Sufficiente a rispettare le specifiche? Assolutamente no. Tre anni di lavoro a partire dal 1947. Il progetto denominato “Project Whirlwind” vede finalmente la luce nel 1951, ma la sua versione definitiva arriva due anni dopo, nel 1953. Il gioiello nato nei laboratori del MIT somma due numeri in 8 microsecondi. Non c’è nulla di più veloce sul pianeta terra. La ragione di queste prestazioni incredibili, risiede nella memoria a nucleo di ferrite.

La memoria a nucleo di ferrite o a nuclei magnetici è una memoria non volatile, basata su piccoli anelli magnetici di biossido di ferro (all’inizio erano in ceramica), utilizzati per la memorizzazione delle informazioni. I dati sono memorizzati grazie alle variazioni di polarità del campo magnetico degli anelli. Ogni anello infatti, memorizza un singolo stato logico e, ogni griglia bidimensionale era accessibile in un unico ciclo di clock, permettendo quindi la manipolazione del bit su un singolo anello. Mettendo in pila un certo numero di griglie (bit), era quindi possibile formare un’intera stringa durante un solo ciclo di clock. Per meglio comprendere il funzionamento di questa soluzione progettuale, occorre introdurre il concetto di “Isteresi”.

Con il termine “Isteresi” si intende il fenomeno per cui il valore di una grandezza dipendente da altre è determinato, oltre che dai valori istantanei, dai valori precedenti. La parola deriva dal greco “hystéresis” che significa “ritardo“. Questo “ritardo” è insito nella caratteristica di reagire alle sollecitazioni applicate in dipendenza allo stato precedente. Gli anelli sottoposti ad un determinato campo magnetico tendono quindi a mantenere un certo “stato” fino a quando non viene applicato un nuovo campo magnetico in grado di invertire il campo magnetico memorizzato precedentemente.

Ogni anello di ferrite è attraversato generalmente da quattro fili, chiameremo due di questi per comodità X e Y. Ognuno di questi due fili trasporta una semi corrente e, la somma delle due semi correnti, genera il campo magnetico sufficiente a determinare la commutazione da Livello Logico 0 a Livello Logico 1 o vice versa. Altri due fili sono chiamati SENSE e INHIBIT, anche se negli ultimi modelli di questo tipo di memorie, SENSE e INHIBIT funzionano sullo stesso filo (non funzionano mai contemporaneamente quindi un solo filo semplifica il circuito, utilizzando un commutatore di funzione).

Lettura

• Il bit di lettura viene portato a zero.
• Le linee X e Y vengono pilotate a metà potenza, con campo magnetico direzionato in modo tale da memorizzare 0 in memoria.
• Se il valore della memoria è 0, non accade nulla, se invece è a 1, per il principio di Isteresi spiegato poc’anzi, un leggero impulso sulla linea SENSE segnalerebbe il cambio di Stato Logico.
• Il controllo della linea SENSE permette di verificare la presenza di 0 o 1.

La lettura è distruttiva perché porta sempre la memoria a livello logico 0.

Scrittura

• Il processo di scrittura assume che le celle di memoria siano già a 0 a causa di una lettura precedente.
• Le linee X e Y vengono pilotate in modo tale che portino il livello logico a 1.
• Se occorre scrivere il valore 1 in memoria, la procedura termina, altrimenti se occorre scrivere il valore 0, viene attivata la linea INHIBIT, generando un campo magnetico opposto a quello di X e Y, neutralizzandone l’effetto.

Occorre precisare che la memoria a nucleo di ferrite mantiene il valore anche in assenza di alimentazione. Un aspetto da non trascurare, è che il ciclo di Isteresi risente della temperatura, pertanto una variazione di temperatura richiedeva una variazione della corrente fornita alle linee, pertanto il sistema dev’essere dotato di opportuni sensori di temperatura.