Tube Williams
L’après-guerre fut témoin d’une quête frénétique pour résoudre l’épineux problème du stockage de données dans les premiers calculateurs électroniques. Tandis que Presper Eckert et John Mauchly s’acharnaient sur les lignes à retard au mercure à Philadelphie et que Jay Forrester entamait ses recherches sur les tores magnétiques au MIT, Frederic Williams traçait un chemin différent au Telecommunications Research Establishment de Great Malvern.
La visite de Williams au projet ENIAC en 1946 lui donna deux clés : l’idée du programme enregistré et le besoin vital d’un stockage électronique rapide. Son passé dans les circuits radar durant le conflit mondial l’amena, avec son doctorant Tom Kilburn, à explorer les tubes cathodiques comme dispositifs mémoire. Les ordinateurs réclamaient environ 32 000 bits binaires organisés en 1 024 mots de 32 bits. Les bascules électroniques auraient exigé plus de 64 000 tubes à vide, rendant toute fiabilité chimérique.
La trouvaille de Williams et Kilburn reposait sur un phénomène physique subtil : le bombardement d’électrons sur l’écran créait un puits de potentiel positif. Un second bombardement à proximité générait des électrons secondaires qui comblaient partiellement le premier puits. La détection de ce comblement lors d’un balayage ultérieur déterminait si un 1 ou un 0 avait été inscrit. Une plaque métallique contre l’écran captait ces variations infimes de charge.
Cinq variantes de ce principe virent le jour. Le système dot-dash codait un 0 par un point et un 1 par un tiret. Le dash-dot inversait cette logique. Les systèmes defocus-focus et focus-defocus jouaient sur la netteté du faisceau. Le système anticipation exploitait un signal prédictif lors de la destruction d’une charge.
Début 1947, désormais à l’Université de Manchester, Williams et Kilburn stockèrent leur premier bit stable. À l’automne, ils maintinrent 1 024 digits pendant plusieurs heures. Leur éclair de génie fut d’introduire un mécanisme de régénération. La charge ne subsistant que quelques dixièmes de seconde, le contenu était sans cesse lu et réécrit – technique qui survit dans nos mémoires DRAM actuelles.
Juin 1948 vit naître le Manchester Baby, surnom du Small-Scale Experimental Machine. Ce prototype utilisait trois tubes : un pour le stockage principal (32 mots), un pour l’accumulateur (registre de calcul), et un dernier pour le contrôle (compteur ordinal et instruction courante). Son architecture autorisait un accès aléatoire à la mémoire, quand les lignes à retard imposaient un accès séquentiel. Son jeu d’instructions se résumait à sept opérations : JMP (saut), JRP (saut relatif), LDN (chargement du négatif), STO (stockage), SUB (soustraction), CMP (comparaison) et STP (arrêt).
Deux nouvelles moutures surgirent en 1949. La première offrait 128 mots de 40 bits avec un multiplicateur électronique. Elle servit à des calculs sophistiqués comme la vérification de l’hypothèse de Riemann et le test de primalité des nombres de Mersenne. La seconde mariait la mémoire Williams à un tambour magnétique stockant 40 960 bits supplémentaires, créant ainsi une hiérarchie mémoire à deux niveaux qui annonçait l’organisation des ordinateurs futurs.
IBM s’empara de cette technologie en 1951, acquit une licence et lança la fabrication de tubes Williams pour son 701, premier calculateur commercial de la firme. Cette industrialisation exigea des prouesses, l’entreprise créa des environnements ultra-propres avant l’heure. Le personnel portait des blouses en orlon pour éviter les particules textiles. Des tapis collants piégeaient la poussière des chaussures. Ces pratiques devancèrent celles adoptées plus tard pour les semi-conducteurs.
La version finale de l’ordinateur de Manchester, livrée en 1951, alignait huit tubes Williams stockant chacun 1 024 bits (mémoire totale de 10 240 bits), complétés par un tambour magnétique de 150 000 bits. Elle traitait les instructions en 1,2 milliseconde et effectuait les multiplications en 2,16 millisecondes. Ses applications touchaient la biologie, l’optique, la cristallographie, l’ingénierie chimique et même les échecs.
Les contraintes techniques des tubes Williams se révélèrent nombreuses. La qualité de l’écran phosphorescent s’avérait capitale : la moindre imperfection – particule de carbone ou trou microscopique – compromettait le stockage. Le faisceau exigeait une uniformité parfaite sur toute la surface. La vitesse de balayage nécessitait un contrôle d’une précision absolue.
Malgré ces écueils, la technologie équipa quelques machines des années 1950 : le Ferranti Mark I (héritier commercial de la machine de Manchester), l’IBM 701, et le MANIAC I de Los Alamos. Le milieu de la décennie la vit céder la place aux tores magnétiques de Forrester, plus fiables et plus denses. En 1998, pour célébrer le cinquantenaire du Manchester Baby, Chris Burton dirigea la construction d’une réplique fonctionnelle, jetant une lumière nouvelle sur les problèmes qu’avait affrontés l’équipe de 1948.