IBM 701 のウィリアムス管（コンピュータ歴史博物館 所蔵）SWAC のウィリアムス管のメモリパターンウィリアムス管 (Williams tube)、またはウィリアムス－キルバーン管 (Williams-Kilburn tube)は、陰極線管 を使用したコンピュータの記憶装置 （メモリ）で、ブラウン管 の一種とすることもある。名前は開発者であるフレディー・ウィリアムス とトム・キルバーン に由来する[ 1] [ 2] ランダムアクセス 可能な記憶装置（Random Access Memory ）であり、いくつかの初期のコンピュータで使用された[ 3]
ウィリアムス管は、陰極線管(CRT)上にドットのグリッドを表示することで動作する。CRTの動作原理により、各ドットに静電気 の電荷が発生する。各ドットの位置での電荷は、ディスプレイのすぐ前にある薄い金属板で読み取られる。時間の経過とともにディスプレイの表示は薄くなる（すなわち、電荷が失われる）ため、定期的にリフレッシュする必要がある。
それまで主流だった水銀遅延線 は水銀中の音波で記録していたため、情報の伝達や更新に音速 の制限があった。ウィリアムス管ではその制限が真空管 内の電子の速度となるため、より速いサイクルで使用できる。ただし、ドットの間隔を短くしすぎると、電荷が周りのドットにも影響を与えてしまうため、ある程度の間隔を開ける必要があり、小型化が不可能だった。
ウィリアムスとキルバーンは、イギリスで1946年12月11日[ 4] [ 5] [ 6] [ 7]
ウィリアムス管は、陰極線管(CRT)で発生する二次電子放出 （英語版 ） 蛍光体 に当たると、通常は蛍光体が点灯するが、ビームのエネルギーが所定の閾値（蛍光体の種類によって異なる）を超えると、蛍光体から電子 が飛び出す。この電子は短い距離を進んだ後、CRT表面に再び引き寄せられ、放出点から少し離れた場所でCRT表面に落下する。ビームの近傍は電子の放出により負電荷が不足するのでわずかに正に帯電し、一方ドットの周囲では放出された電子が着地するためわずかに負の電荷が発生する。結果として生じるポテンシャル井戸 （英語版 ） [ 1] [ 8]
ポテンシャル井戸を生成するプロセスを、コンピュータメモリの書き込み操作として使用し、2進数の1桁、すなわちビット を格納する。ドットやスペースの集合体、多くの場合、ディスプレイ上の横一列が、コンピュータのワード を表す。ドットの大きさや間隔と寿命、隣接するドットとの干渉を防ぐ能力には関係がある。このため、記録密度 には上限があり、1本のウィリアムス管には通常1024～2560ビットのデータを保存することができる。電子ビームは本質的に慣性がなく、ディスプレイ上のどこにでも移動できるため、コンピュータは任意の場所のデータにアクセスすることができるので、ランダムアクセス が可能なメモリとなる[ 2] タイムベースジェネレータ （英語版 ） フリップフロップ として実装されている内部レジスタからの読み出しまたは書き込みを行う。
メモリの読み取りは、書き込み動作によって引き起こされる二次的な効果を利用して行われる。書き込みが行われる短い時間の間に、蛍光体の電荷の再分配により電流が生じ、近くの導体に電圧を誘起する。これは、CRTの表示側のすぐ近くに薄い金属板を置くことによって読み取られる。読み出し動作中、ビームはディスプレイ上の選択されたビット位置に書き込みを行う。以前に書き込まれた場所はすでに電子が欠乏しているため電流は流れず、金属板上に電圧がかからない。これにより、コンピュータはその場所に"1"が記録されていたと判断することができる。もしその場所が以前に書き込まれていなかった場合は、書き込みプロセスによってポテンシャル井戸が作成され、金属板上にパルスが読み込まれて"0"を示す[ 1] [ 8]
メモリの場所を読み取ると、そこに何が記録されていたかに関わらず電荷が発生し、元の内容を破壊するため、読み取った後に再度書き込みを行ってデータを復元する必要がある。いくつかのシステムでは、これはCRT内部の第2電子銃を使用して行っていた。これは、第1電子銃が次の位置のデータを読み取っている間に、直前に読み込んだ箇所にデータを書き込むものである。ディスプレイは時間の経過とともに薄くなってゆくため、同様の方法でディスプレイ全体を定期的にリフレッシュする必要がある。しかし、データを読み込んですぐに書き込むため、中央処理装置(CPU)で他の処理を行っている間に、外部回路でこの動作を行うことができる。このリフレッシュ動作は、DRAM のメモリリフレッシュ （英語版 ） [ 8]
リフレッシュ処理を行うと、同じパターンが連続して表示されるため、以前に書き込んだ値を消去できるようにする必要があった。これは通常、データ記録位置のすぐ隣に書き込むことで達成される。この新しい書き込みによって放出された電子は、以前に書き込まれたポテンシャル井戸に落ちて、ポテンシャル井戸を埋めることになる。
ウィリアムス管の中には、データを視認できるように蛍光体コーティングを施してあるレーダー用の陰極線管を用いたものがあった。このコーティングの有無は管の動作に影響を与えなかった。管の表面は読み出し用の金属板で覆われていたので、蛍光体コーティングがあろうがなかろうが利用者がデータを見ることはできなかった。目に見える出力が必要な場合は、蛍光体でコーティングしてあるが金属板を取り付けていない第2の管が並列に接続され、表示装置として使用された[ 2]
このメモリは、イギリスのマンチェスター大学 で開発され、同大学で開発されたコンピュータ・Manchester Small-Scale Experimental Machine （マンチェスター・ベビー）が1948年6月21日に初めてプログラムの実行に成功したときの、プログラムを記憶する媒体として使用された[ 9] テストベッド として作られたのがマンチェスター・ベビーだった[ 1] [ 10] [ 11] 18 の最大の約数 を計算する17行のプログラムを書いた。大学の伝説では、これがキルバーンが書いた唯一のプログラムだったとされている[ 12]
ウィリアムス管は使用時間とともに信頼性が低くなる傾向があり、ほとんどの装置は手で調整する必要があった。対照的に、水銀遅延管メモリは遅く、ビットがシリアルに提示されるため、プログラミングが複雑になり、真の意味でのランダムアクセスではなかった。遅延線もまた、手作業でのチューニングが必要だったが、データレート、重量、コスト、熱、毒性の問題があったにもかかわらず、初期のデジタルコンピュータではそれほど老朽化することもなく、ある程度の成功を収めていた。しかし、ウィリアムス管を使用したManchester Mark I は、Ferranti Mark 1 として製品化に成功した。アメリカの初期のコンピュータにも、IASマシン （もともとはセレクトロン管 メモリ用に設計されていた）、UNIVAC 1103 、IBM 701 、IBM 702 、SWAC など、ウィリアムス管が使用されていたものがある。ウィリアムス管は、ソ連のStrela-1や日本のTAC でも使用されていた[ 14] [ 15]
ウィリアムス管は、磁気コアメモリ が登場する1950年代前半まで用いられていた。
^ a b c d Kilburn, Tom (1990), “From Cathode Ray Tube to Ferranti Mark I” , Resurrection (The Computer Conservation Society) 1 (2), ISSN 0958-7403 , http://www.cs.man.ac.uk/CCS/res/res02.htm#e 2020年6月25日 閲覧。
^ a b c Brian Napper (25 November 1998). “Williams Tube ”. University of Manchester. 2020年6月25日 閲覧。
^ “Early computers at Manchester University” , Resurrection (The Computer Conservation Society) 1 (4), (Summer 1992), ISSN 0958-7403 , http://www.cs.man.ac.uk/CCS/res/res04.htm#g 7 July 2010 閲覧。 ^ GB Patent 645,691 ^ GB Patent 657,591 ^ アメリカ合衆国特許第 2,951,176号 ^ アメリカ合衆国特許第 2,777,971号 ^ a b c “A History of Storage Media: the Williams-Kilburn Tube ”. 2020年6月26日 閲覧。
^ Napper, Brian, Computer 50: The University of Manchester Celebrates the Birth of the Modern Computer オリジナル の4 May 2012時点におけるアーカイブ。, https://web.archive.org/web/20120504133240/http://www.computer50.org/ 26 May 2012 閲覧。 ^ Williams, F.C.; Kilburn, T. (Sep 1948), “Electronic Digital Computers”, Nature 162 (4117): 487, doi :10.1038/162487a0 . The Origins of Digital Computers ^ Williams, F.C.; Kilburn, T.; Tootill, G.C. (Feb 1951), “Universal High-Speed Digital Computers: A Small-Scale Experimental Machine” , Proc. IEE 98 (61): 13–28, doi :10.1049/pi-2.1951.0004 , http://www.computer50.org/kgill/mark1/ssem.html . ^ Lavington 1998 , p. 11^ Research, United States Office of Naval (1953) (英語). A survey of automatic digital computers . https://archive.org/details/bitsavers_onrASurveyomputers1953_8778395 ^ “TACウイリアムス管・真空管および関連資料 ”. 情報処理学会 . 2020年6月26日 閲覧。
Lavington, Simon (1998), A History of Manchester Computers (2nd ed.), The British Computer Society, ISBN 978-1-902505-01-5
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