Фота з калекцыі аўтара
1. гісторыя
Бурбалкавая памяць, ці памяць на цыліндрычных магнітных даменах з'яўляецца энерганезалежнай памяццю, распрацаванай у Bell Labs у 1967 году Эндру Бобеком (Andrew Bobeck). Даследаванні паказалі, што маленькія цыліндрычныя магнітныя дамены ўтвараюцца ў монакрышталічных тонкіх плёнках ферытаў і гранатаў, калі дастаткова моцнае магнітнае поле накіравана перпендыкулярна паверхні плёнкі. Змяняючы магнітнае поле, можна перамяшчаць гэтыя бурбалкі. Такія ўласцівасці робяць магнітныя бурбалкі ідэальным сродкам для пабудовы паслядоўнага сховішчы біт, накшталт сдвигового рэгістра, у якім наяўнасць ці адсутнасць бурбалкі ў вызначанай пазіцыі азначае нулявое ці адзінкавае значэнне біта. Дыяметр бурбалкі складае дзясятыя дзелі мікрона, адзін чып можа захоўваць тысячы біт дадзеных. Так, напрыклад, увесну 1977 гады Texas Instruments упершыню прадставіла на рынку чып ёмістасцю 92304 біта. Гэтая памяць з'яўляецца энерганезалежнай, што робіць яе падобнай на магнітную стужку ці дыск, але бо яна з'яўляецца цвёрдацельнай і не ўтрымоўвае рухомых частак, яна мае большую надзейнасць, чым стужка ці дыск, і не патрабуе абслугоўвання, а таксама мае значна меншыя памеры і вага , і можа выкарыстоўвацца ў партатыўных прыладах.
Першапачаткова вынаходнік бурбалкавай памяці, Эндру Бобек, прапанаваў аднамерны варыянт памяці, у выглядзе ніткі, на якую наматаная тонкая палоска ферамагнітнага матэрыялу. Такая памяць звалася "твістарнай", і нават выпускалася серыйна, аднак неўзабаве была выцесненая "двухмерным" варыянтам.
Вы можаце азнаёміцца з гісторыяй стварэння бурбалкавай памяці ў [1-3].
2. Прынцып дзеяння
Тут я прашу мне дараваць, я не фізік, таму пераказ будзе вельмі прыблізным.
Некаторыя матэрыялы (напрыклад, гадолиниево-галіевы гранат), валодаюць уласцівасцю намагнічвацца ў толькі адным кірунку, і калі ўздоўж гэтай восі прыкласці сталае магнітнае поле, то намагнічаныя вобласці сфармуюць нешта накшталт бурбалак, як паказана на малюнку ніжэй. Кожная бурбалка мае ўсяго некалькі мікрон у дыяметры.
Хай мы маем тонкую, каля 0,001 цалі, крышталічную плёнку з такога матэрыялу, нанесеную на немагнітную, напрыклад, шкляную, падкладку.
Уся справа ў чарадзейных бурбалках. Малюнак злева - магнітнае поле адсутнічае, малюнак справа - магнітнае поле накіравана перпендыкулярна паверхні плёнкі.
Калі на паверхні плёнкі з такога матэрыялу сфармаваць малюнак з магнітнага матэрыялу, напрыклад, пермаллоя, жалеза-нікелевага сплава, то бурбалкі будуць примагничиваться да элементаў гэтага малюнка. Звычайна выкарыстоўваюцца малюнкі ў выглядзе Т-вобразных ці V-вобразных элементаў.
Адзіночная бурбалка можа быць сфарміраваны магнітным полем 100-200 эрстэд, якое прыкладзена перпендыкулярна магнітнай плёнцы і ствараецца пастаянным магнітам, а якое верціцца магнітнае поле, сфармаванае двума шпулькамі ў напрамках XY, дазваляе перамяшчаць бурбалкі-дамены ад аднаго магнітнага «астраўка» да іншага паказана на малюнку. Пасля чатырохразовай змены напрамку магнітнага поля дамен перамесціцца ад аднаго астраўка да суседняга.
Усё гэта дазваляе разглядаць ЦМД-прылада як зрухавы рэгістр. Калі мы будзем фармаваць бурбалкі на адным канцы рэгістра і дэтэктаваць іх на іншым, то мы можам пусціць вызначаны патэрн бурбалак па крузе, і выкарыстаць сістэму як запамінальная прылада, счытваючы і запісваючы біты ў вызначаныя моманты часу.
Адгэтуль вынікаюць добрыя якасці і недахопы памяці на ЦМД: добрай якасцю з'яўляецца энерганезалежнасць (пакуль прыкладзена перпендыкулярнае поле, стваранае сталымі магнітамі, бурбалкі нікуды не знікнуць і не ссунуцца са сваіх пазіцый), а недахопам - вялікі час доступу, т.к. для доступу да адвольна ўзятага біту трэба пракруціць увесь зрухавы рэгістр да патрэбнай пазіцыі, і чым ён даўжэй, тым больш цыклаў для гэтага запатрабуецца.
Патэрн магнітных элементаў на магнітнай плёнцы ЦМД.
Стварэнне магнітнага дамена завецца па-ангельску «nucleation», і складаецца ў тым, што да абмоткі прыкладваецца ток у некалькі сотняў міліампер на час каля 100нс, і ствараецца магнітнае поле, перпендыкулярнае плёнцы і процілеглае поле сталага магніта. Пры гэтым ствараецца магнітная «бурбалка» - цыліндрычны магнітны дамен у плёнцы. Працэс, нажаль, моцна залежыць ад тэмпературы, магчыма няўдалае завяршэнне аперацыі запісу, пры якім бурбалка не сфармуецца, ці фармаванне некалькіх бурбалак.
Для чытання даных з плёнкі выкарыстоўваецца некалькі тэхнік.
Адзін спосаб, неразбуральнае чытанне, складаецца ў дэтэктаванні слабога магнітнага поля цыліндрычнага дамена з дапамогай магниторезистивного сэнсара.
Другім спосабам з'яўляецца разбуральнае чытанне. Бурбалка адводзіцца на спецыяльны трэк генерацыі/дэтэктавання, у якім бурбалка знішчаецца, шляхам намагнічвання матэрыялу ў прамым кірунку. Калі матэрыял быў намагнічаны ў зваротным кірунку, гэта значыць бурбалка прысутнічаў, гэта выкліча большы ток у шпульцы, і гэта дэтэктуецца электроннай схемай. Пасля гэтага бурбалка павінен быць згенераваны паўторна на спецыяльным трэку запісу.
Аднак, калі памяць будзе арганізавана ў выглядзе аднаго бесперапыннага масіва, то ў яе будзе два вялікія недахопы. Па-першае, час доступу будзе вельмі вялікім. Па-другое, адзіны дэфект у ланцужку прывядзе да поўнай непрацаздольнасці ўсёй прылады. Таму робяць памяць, арганізаваную ў выглядзе аднаго галоўнага трэка, і мноства падпарадкаваных трэкаў, як паказана на малюнку.
Бурбалкавая памяць з адным бесперапынным трэкам
Бурбалкавая памяць з галоўным/падпарадкаванымі трэкамі
Такая канфігурацыя памяці дазваляе не толькі моцна паменшыць час доступу, але і дазваляе выпускаць прылады памяці, якія змяшчаюць некаторую колькасць дэфектных трэкаў. Кантролер памяці павінен іх улічваць і абыходзіць іх пры аперацыях чытання/запісы.
На малюнку ніжэй паказаны разрэз "чыпа" бурбалкавай памяці.
Таксама вы можаце прачытаць аб прынцыпе дзеяння бурбалкавай памяці ў [4, 5].
3. Intel 7110
Intel 7110 – модуль бурбалкавай памяці, MBM (magnetic-bubble memory) ёмістасцю 1 Мб (1048576 біт). Менавіта ён намаляваны на КДПВ. 1 мегабіт - гэта ёмістасць для захоўвання карыстацкіх дадзеных, з улікам залішніх трэкаў поўная ёмістасць складае 1310720 біт. Прылада ўтрымоўвае 320 петлепадобных трэкаў (loops) ёмістасцю 4096 біт кожны, але для карыстацкіх дадзеных выкарыстоўваюцца толькі 256 з іх, астатняе – рэзерв для замены "бітых" трэкаў і для захоўвання залішняга кода карэкцыі памылак. Прылада мае архітэктуру "галоўны трэк-падпарадкаваныя трэкі" (major track-minor loop). Інфармацыя аб актыўных трэках змяшчаецца ў асобным загрузным трэку (bootstrap loop). На КДПВ вы можаце бачыць шаснаццацірычны код, надрукаваны прама на модулі. Гэта і ёсць карта "бітых" трэкаў, 80 шаснаццацірычных лічбаў прадстаўляюць 320 трэкаў дадзеных, актыўныя прадстаўлены адзінкавым бітам, неактыўныя - нулявым.
Вы можаце азнаёміцца з арыгінальнай дакументацыяй на модуль у [7].
Прылада мае корпус з двухрадковым размяшчэннем высноў і мантуецца без паяння (у сокет).
Структура модуля паказана на малюнку:
Масіў памяці дзеліцца на дзве "паўсекцыі" (half sections), кожная з якіх дзеліцца на дзве "чацвёркі" (quads), кожная чвэрцінка мае 80 падпарадкаваных трэкаў. Модуль змяшчае пласціну з магнітным матэрыялам, размешчаную ўнутры двух артаганальных абмотак, якія ствараюць якое верціцца магнітнае поле. Для гэтага на абмоткі падаюцца сігналы току трохкутнай формы, зрушаныя на 90 градусаў адносна адзін аднаго. Зборка з пласціны і абмотак змешчаная паміж сталымі магнітамі і змешчаная ў магнітны экран, які замыкае магнітны струмень, ствараны сталымі магнітамі і экрануе прыладу ад вонкавых магнітных палёў. Пласціна размешчана пад нахілам у 2,5 градуса, што стварае невялікае поле зрушэння, накіраванае ўздоўж нахілу. Гэтае поле занядбана мала ў параўнанні з полем шпулек, і не мяшае перасоўванню бурбалак пры працы прылады, але ссоўвае бурбалкі ў фіксаваныя пазіцыі адносна пермаллоевых элементаў, калі прылада выключана. Моцная перпендыкулярная складнік пастаянных магнітаў падтрымлівае існаванне бурбалкавых магнітных даменаў.
Модуль змяшчае наступныя вузлы:
- Запамінальныя трэкі. Непасрэдна тыя трэкі з пермаллоевых элементаў, якія ўтрымліваюць і накіроўваюць бурбалкі.
- Генератар рэплікацыі. Служыць для рэплікацыі бурбалкі, які ўвесь час прысутнічае ў месцы генерацыі.
- Уваходны трэк і вузлы абмену. Згенераваныя бурбалкі перамяшчаюцца ўздоўж уваходнага трэка. Бурбалкі перамяшчаюцца ў адзін з 80 падпарадкаваных трэкаў.
- Выходны трэк і вузел рэплікацыі. Бурбалкі вычытваюцца з трэкаў дадзеных без іх разбурэння. Бурбалка падзяляецца на дзве часткі, і адна з іх накіроўваецца ў выходны трэк.
- Дэтэктар. Бурбалкі з выходнага трэка трапляюць у магнітарэзістыўны дэтэктар.
- Загрузачны трэк. Загрузачны трэк змяшчае інфармацыю аб актыўных і неактыўных трэках дадзеных.
Ніжэй мы разгледзім гэтыя вузлы больш падрабязна. Таксама вы можаце азнаёміцца з апісаннем гэтых вузлоў у [6].
Генерацыя бурбалкі
Для генерацыі бурбалкі, у самым пачатку ўваходнага трэка маецца правадыр, выгнуты ў выглядзе малюсенькай завесы. У яго падаецца імпульс току, які стварае ў вельмі маленькай вобласці магнітнае поле мацней, чым поле пастаянных магнітаў. Імпульс стварае ў гэтым месцы бурбалка, які застаецца ўвесь час, які падтрымліваецца сталым магнітным полем, і цыркулюе ўздоўж пермаллоевого элемента пад дзеяннем якое верціцца магнітнага поля. Калі нам трэба запісаць адзінку ў памяць, мы падаем кароткі імпульс у якая праводзіць пятлю, і ў выніку нараджаецца дзве бурбалкі (на малюнку пазначаныя як Bubble split seed). Адзін з бурбалак накіроўваецца якое верціцца полем уздоўж пермаллаевага трэка, другі застаецца на месцы і хутка набывае першапачатковы памер. Затым ён перамяшчаецца да аднаго з падпарадкаваных трэкаў, і мяняецца месцамі з бурбалкай, які цыркулюе ў ім. Ён, у сваю чаргу, дасягае канца ўваходнага трэка і знікае.
Абмен бурбалкамі
Абмен бурбалкамі адбываецца, калі ў які адпавядае правадыр падаецца імпульс току прастакутнай формы. Пры гэтым не адбываецца падзелу бурбалкі на дзве часткі.
Чытанне дадзеных
Дадзеныя накіроўваюцца на выходны трэк шляхам іх рэплікацыі, і працягваюць цыркуляваць у сваім трэку пасля счытвання. Такім чынам, у дадзеным прыладзе рэалізаваны неразбуральны спосаб чытання. Для рэплікацыі, бурбалка накіроўваецца пад даўгаваты элемент з пермаллоя, пад якім ён расцягваецца. Зверху таксама знаходзіцца правадыр у форме завесы, калі ў пятлю падаць імпульс току, бурбалка падзеліцца на дзве часткі. Імпульс току складаецца з кароткага ўчастку з вялікай сілай току для таго, каб падзяліць бурбалка на дзве часткі, і даўжэйшага ўчастку з меншай сілай току, для таго, каб накіраваць бурбалку на выходны трэк.
У канцы выходнага трэка знаходзіцца дэтэктар бурбалкі, магнітарэзістыўны мост, выраблены з пермаллоевых элементаў, якія ўтвараюць ланцуг вялікай даўжыні. Калі магнітная бурбалка пападае пад пермаллоевы элемент, яго супраціў змяняецца, і на вынахадзе маста з'яўляецца рознасць патэнцыялаў у некалькі мілівольт. Форма пермаллоевых элементаў падабрана так, каб бурбалка рухаўся ўздоўж іх, у канцы ён пападае на адмысловую «ахоўную» шыну і знікае.
Надмернасць
Прылада змяшчае 320 трэкаў, кожны па 4096 біт. З іх 272 актыўныя, 48 запасных, неактыўных.
Загрузачны трэк (Boot Loop)
Прылада ўтрымоўвае 320 трэкаў дадзеных, з якіх для захоўвання карыстацкіх дадзеных прызначаны 256, астатнія могуць быць няспраўныя ці могуць служыць запаснымі для замены няспраўных. Адзін дадатковы трэк змяшчае інфармацыю аб выкарыстанні трэкаў даных, па 12 біт на кожны трэк. Калі на сістэму падаецца харчаванне, яна павінна быць ініцыялізавана. Падчас ініцыялізацыі кантролер павінен прачытаць загрузны трэк, і запісаць інфармацыю з яго ў адмысловы рэгістр чыпа фарматавання/датчыка току. Тады кантролер будзе выкарыстоўваць толькі актыўныя трэкі, а неактыўныя будуць ігнаравацца, і ў іх не будзе рабіцца запіс.
Сховішча дадзеных - структура
З пункту гледжання карыстальніка, дадзеныя захоўваюцца ў 2048 старонках па 512 біт кожная. 256 байт дадзеных, 14 біт кода карэкцыі памылак і 2 невыкарыстоўваных біта захоўваюцца ў кожнай палове прылады.
Карэкцыя памылак
Выяўленне і карэкцыя памылак можа вырабляцца мікрасхемай датчыка току, якая ўтрымоўвае дэкодэр 14-бітнага кода, які выпраўляе адзінкавую памылку даўжынёй да 5 біт (burst error) у кожным блоку з 270 біт (уключаючы сам код). Код дапісваецца ў канец кожнага 256-бітнага блока. Код карэкцыі можа выкарыстоўвацца, ці не выкарыстоўвацца, па жаданні карыстача, праверка кода можа быць уключаная ці выключаная ў кантролеры. Калі код не выкарыстоўваецца, усе 270 біт могуць быць скарыстаны для карыстацкіх дадзеных.
Час доступу
Магнітнае поле круціцца з частатой 50 кгц. Сярэдні час доступу да першага біта першай старонкі роўна 41 мс, гэта палова часу, патрабаванага для здзяйснення поўнага цыклу па трэку плюс час мінання выходнага трэка.
320 актыўных і запасных трэкаў падзелены на чатыры часткі па 80 трэкаў у кожнай. Такая арганізацыя скарачае час доступу. Чацвярцінкі адрасуюцца парамі: кожная пара чвэрцінак утрымоўвае цотныя і няцотныя біты словы адпаведна. Прылада змяшчае чатыры ўваходных трэка з чатырма пачатковымі бурбалкамі, і чатыры выходных трэка. Выходныя трэкі выкарыстоўваюць два дэтэктары, яны арганізаваны такім чынам, што ў адзін дэтэктар ніколі не трапляе дзве бурбалкі з двух трэкаў адначасова. Такім чынам, чатыры струменя бурбалак мультыплексуюцца і пераўтворацца ў два струменя біт і захоўваюцца ў рэгістрах чыпа датчыка току. Там змесціва рэгістраў зноў мультыплексуецца і па паслядоўным інтэрфейсе пападае ў кантролер.
У другой частцы артыкула мы больш падрабязна разгледзім схематэхніку кантролера бурбалкавай памяці.
4. Спіс літаратуры
Аўтар знайшоў у самых цёмных кутках сеткі і захаваў для вас у масу карыснай тэхнічнай інфармацыі па памяці на ЦМД, яе гісторыі і іншым звязаным аспектам:
1. - Дзве памяці інжынера Бабэка.
2. - Дзве памяці інжынера Бобека (частка 2)
3. - Bubble memory
4. Adaptation of Magnetic Bubble Memory in Standard Microcomputer Environment
5. - Texas Instruments TIB 0203 Bubble Memory
6. - Memory Components Handbook. Intel 1983.
7. 7110 1-Megabit Bubble Memory
Крыніца: habr.com