De elektrostatische opslag buis (electrostatic storage tube) was weer een ander idee om als geheugen apparaat te dienen. In de zomer van 1946 was er als onderwerp van een van de lezingen van de Moore school het gebruik van CRT’s (Cathode Ray Tube) als een geheugen apparaat welke gehouden werd door Eckert. Eckert noemde dit apparaat een “iconoscope”. Het is goed mogelijk dat Dr. F.C. Williams van dit onderwerp gehoord heeft en het als inspiratiebron heeft gebruikt maar helemaal zeker is dit niet. Wat wel zeker is dat F.C. Williams in de zomer van 1946 is gaan werken aan het gebruik van CRT’s als geheugen apparaat. F.C. Williams was zelf niet aanwezig bij de lezing van de Moore school maar kende waarschijnlijk wel mensen die wel aanwezig waren. [1]
De elektrostatische opslag buis die ontwikkeld werd op basis van een CRT door F.C. Williams werd door de Amerikanen “Williams Tube” genaamd. Deze naam is nooit door F.C. Williams of door T. Kilburn gebruikt in hun papieren. Deze naam is wel standaard geworden voor alle geheugen apparaten die gebaseerd zijn op de patenten van Williams en Kilburn. Omdat T. Kilburn heel veel werk heeft gedaan bij de ontwikkeling hiervan is de naam “Williams-Kilburn Tube” meer op zijn plaats. We zullen in dit stuk deze naam dan ook aanhouden. [d]
De Williams-Kilburn Tube was gebaseerd op het feit dat wanneer een elektronen straal de fosfor oppervlakte van een CRT raakt het niet alleen een licht punt ontwikkeld maar het laat ook een geladen punt achter op het oppervlak van de CRT welke 0,2 seconden blijft bestaan voordat het wegvloeit. Als het dan mogelijk is om deze achtergebleven punt te detecteren en weer opnieuw te regenereren minimaal 5x per seconde dan is er een lange termijn geheugen gecreëerd net zoals er bij de delay line systemen gedaan is. Wanneer de elektronen straal wordt gebruikt om een serie van stippen en strepen te schrijven op het oppervlak van de buis dan is de elektronische lading rondom een stip anders dan de lading rondom een streep. Nadat deze serie van stippen en strepen is geschreven kan de elektronen straal nogmaals over het oppervlak van de CRT gaan en de elektronische lading die weglekt langs de voorkant kan worden gedetecteerd door een draad rooster aan de voorkant van de CRT. Deze weglekkende stroom wordt door de elektronische lading van een punt of een streep veranderd zodanig dat in het draad rooster kan worden gedetecteerd of het punt waar de elektronen straal overheen gaat een punt of een streep is. Deze “lees” straal heeft wel een probleem en dat is dat wanneer de straal over het oppervlak van de CRT gaat deze ook de elektronische lading van de punten veranderd. Dit probleem dachten ze eerst op te lossen door gebruik te maken van twee verschillende CRT’s. Waarbij informatie naar de ene CRT werd geschreven en van de andere CRT werd gelezen. Door telkens de rol van de twee CRT’s om te draaien werd er een permanente opslag systeem gevonden. [1] [d]
Het lezen van het geheugen systeem werd gedaan door de elektronen straal in horizontale bewegingen over het oppervlak van de CRT te laten gaan. Williams en Kilburn waren er achter gekomen dat het patroon van elektronische lading rondom een punt of een streep was zodanig verspreid dat het mogelijk was om te detecteren of het een punt of een streep was wanneer de lees elektronen straal nog steeds de locatie aan het benaderen was. Dit maakte het mogelijk om een constructie te maken waarbij een lees elektronen straal met een lage energie werd gebruikt om de informatie te lezen en wanneer er een punt werd genaderd welke een lading bevatte (een punt of een streep) dan kon de energie van de straal worden verhoogd om zodoende de gedetecteerde punt of streep meteen weer terug te schrijven op die locatie. Hiermee was het dus mogelijk om toch gebruik te maken van maar een CRT en hiermee te lezen en te schrijven. [1]
Een basis opstelling van het systeem ziet er als volgt uit:
De uiteindelijke voorkant van zo een CRT ziet er als volgt uit:
Zoals hierboven gezegd was begon F.C. Williams in de zomer van 1946 met de ontwikkeling ervan. In november 1946 had hij het voor elkaar om een enkele bit informatie op te slaan m.b.v. een standaard radar CRT. Hiermee heeft hij in december 1946 een voorlopig patent mee aangevraagd op deze manier van informatie opslaan. In december 1946 werd hij aangesteld bij de universiteit van Manchester. Tom Kilburn werd ook toegevoegd aan zijn onderzoeksgroep om samen verder te gaan met de ontwikkeling van een digitaal CRT opslag systeem. In maart 1947 was er door Tom Kilburn een betere methode gevonden om een groot aantal bits op dezelfde CRT op te slaan. In november 1947 hadden ze het voor elkaar om 2048 bits voor een periode van enkele uren op te slaan. [1] [d]
Eind 1947 was het dus mogelijk om 2048 bits aan informatie op de CRT op te slaan maar ze wisten niet of dit werkzaam zou zijn in een echte computer. De enige manier om te meten of het geheugen bruikbaar zou zijn in een computer is om er een test computer voor te bouwen. Dit werd de SSEM, (Small Scale Experimental Machine) bijnaam “The Baby”. Deze computer had het doel om aan te tonen dat de Williams-Kilburn Tube kon dienen als een dynamisch computer geheugen en om de mogelijkheden te laten zien om een veel grotere computer rondom dit geheugen te bouwen. De SSEM was gebouwd in 1947 en 1948. [1] [d]
In 1948 was de Williams-Kilburn Tube geaccepteerd als een betrouwbaar geheugen systeem maar het was niet 100% betrouwbaar. Dus er bleven onderzoeken om de betrouwbaarheid van het geheugensysteem te verbeteren. Een belangrijke reden waarom de Williams-Kilburn Tube zo een succes werd is omdat het gebaseerd was op al bekende technologie en gemaakt kon worden van bestaande apparatuur. Hierdoor werd het zelfs gebruikt in productie machines zoals de IBM 701. [1] [d]
Het was belangrijk dat er een CRT werd gebruikt van een hele goede kwaliteit want zelfs de voor het oog onzichtbare mankementen of het fosfor oppervlak kunnen verlies van informatie betekenen. Er kon met het raster worden geschoven op het CRT oppervlak zodat er positie wordt gevonden die wel goede resultaten geeft. Er werd ook gezocht naar andere manieren om dit probleem wat te verminderen zodat er ook minder goede CRT’s gebruikt konden worden. Hiervoor werd de stip-streep methode onderzocht en werd er voor latere systemen gebruik gemaakt van focus door de elektronen straal of niet focus van de elektronen straal. Dit gaf een systeem wat minder gevoelig was voor fouten in het fosfor oppervlak en zodoende konden minder dure CRT’s gebruikt worden zodat de prijs van de Williams-Kilburn Tube goedkoper werd. In het volgende figuur zijn de verschillende patronen getoond die onderzocht zijn voor gebruik in de Williams-Kilburn Tube. Hiervan is de 1e, stip en streep, de originele methode die werd gebruikt en is er later voornamelijk overgestapt op de 3e methode, focus en niet focus. [6]
Het grootste voordeel van de Williams-Kilburn Tube boven de mercury delay als opslag mechanisme is dat Williams-Kilburn Tube een “fast random access” heeft tot korte rijen van bits, dwz 20 of 40 bits die overeen komen met lijnen in het geheugen. Hiermee wordt bedoeld dat woorden die op een lijn zijn opgeslagen in de buis willekeurig benaderd kunnen worden. De lijn zelf waarop deze woorden staan wordt wel serieel (bit voor bit) uitgelezen maar het is niet nodig om eerst alle bovenliggende lijnen af te lezen voordat de gewenste lijn kan worden gelezen. Dit in tegenstelling tot de mercury delay line wat een volledig serieel geheugen systeem is. Hier moet als men pech heeft de volledige informatie opnieuw voorbij komen voordat de gewenste informatie beschikbaar komt. [d]
De machine die nadat de SSEM het goede voorbeeld had gegeven werd gebouwd was de Manchester Mark 1. Deze machine werd door Ferranti Ltd. In opdracht de Britse regering gebouwd met de specificaties van F.C. Williams. Deze opdracht werd in oktober 1948 gedaan. De Manchester Mark 1 maakte gebruik van een 2-level geheugen systeem zodat de informatie in 2 verschillende geheugen systemen kon worden opgeslagen. Dit waren natuurlijk een set van Williams-Kilburn Tubes en een magnetisch trommel geheugen (magnetic drum memory). In de herfst van 1949 was de productie van de Manchester Mark 1 machine voltooid. Dit was de eerste werkende 2-level geheugen systeem. [e]