Снимка от автора
1. История
Памет с магнитни балончета, или памет на цилиндрични магнитни домейни, е енергийно независима памет, разработена в Bell Labs през 1967 година от Андрю Бобек (Andrew Bobeck). Изследванията показаха, че малки цилиндрични магнитни домейни се образуват в монокристални тънки филми от ферити и гранати, когато достатъчно силно магнитно поле е насочено перпендикулярно на повърхността на филма. Чрез промяна на магнитното поле, може да се местят тези балончета. Тези свойства правят магнитните балончета идеално средство за изграждане на последователно хранилище на битове, подобно на шифров регистър, където наличието или отсъствието на балонче в определена позиция означава нулева или единична стойност на бита. Диаметърът на балончетата е десети части от микрона, един чип може да съхранява хиляди битове данни. Например, през пролетта на 1977 година Texas Instruments за първи път представи на пазара чип с капацитет от 92304 бита. Тази памет е енергийно независима, което я прави подобна на магнитна лента или диск, но тъй като е твърда и не съдържа движещи се части, тя има по-висока надеждност от лентата или диска, не изисква поддръжка и има много по-малки размери и тегло, което позволява използването й в преносими устройства.
Първоначално изобретателят на паметта с балончета, Андрю Бобек, предложи "едномерна" версия на паметта, във вид на нишка, на която е навита тънка лента от ферромагнитен материал. Тази памет се наричаше "твисторна" и дори се произвеждаше в серийно производство, но скоро беше изместена от "двумерната" версия.
Можете да se запознаете с историята на създаването на паметта с балончета в [1-3].
2. Принцип на действие
Тук искам да ми простите, аз не съм физик, затова изложението ще бъде много приблизително.
Някои материали (например, гадолиниево-галиев гранат) имат свойството да се намагнитват само в една посока, и ако по дължината на тази ос се приложи постоянно магнитно поле, намагнетизираните области ще образуват нещо като балончета, както е показано на изображението по-долу. Всеки балон има само няколко микрона в диаметър.
Нека имаме тънка, с дебелина около 0,001 инча, кристална пленка от такъв материал, нанесена върху немагнитна основа, например, стъкло.
Става дума за вълшебни мехурчета. Снимката отляво — магнитното поле не присъства, снимката отдясно — магнитното поле е насочено перпендикулярно на повърхността на пленката.
Ако на повърхността на пленката от такъв материал се образува рисунка от магнитен материал, например, пермалой или желязно-никелово сплав, мехурчетата ще се привлекат към елементите на тази рисунка. Обикновено се използват рисунки под формата на Т-образни или V-образни елементи.
Единичен мехур може да бъде образуван от магнитно поле от 100-200 ерстед, приложено перпендикулярно на магнитната пленка и създадено от постоянен магнит, а въртящото се магнитно поле, образувано от две котви в посоките XY, позволява да се премества мехурчетата-домени от един магнитен "остров" на друг, както е показано на изображението. След четирикратна смяна на посоката на магнитното поле, доменът ще се премести от един остров на съседния.
Всичко това позволява да разглеждаме ЦМД устройството като преносен регистър. Ако образуваме мехурчета в единия край на регистра и ги откриваме от другия, можем да прокараме определен шаблон от мехурчета в кръг и да използваме системата като памет, прочитайки и записвайки битове в определени моменти.
Оттук произлизат предимствата и недостатъците на паметта на ЦМД: предимството е независимостта от енергия (докато е приложено перпендикулярното поле, създадено от постоянни магнити, мехурчетата няма да изчезнат и няма да се преместят от позициите си), а недостатъкът е дългото време за достъп, тъй като за достъп до произволно избран бит трябва да се прекара целият преносен регистър до нужната позиция, и колкото по-дълъг е, толкова повече цикли ще са необходими за това.
Шаблон от магнитни елементи на магнитната пленка на ЦМД.
Създаването на магнитен домейн на английски се нарича „nucleation“ и включва прилагане на ток от няколко стотин милиампера за около 100нс, което създава магнитно поле, перпендикулярно на филма и противоположно на полето на постоянен магнит. По време на този процес се създава магнитен „балон“ – цилиндричен магнитен домейн във филма. За съжаление, процесът зависи много от температурата и операцията по запис може да завърши неуспешно, при което балонът не се формира, или да се образуват няколко балона.
За четене на данни от филма се използват няколко техники.
Един от начините, неразрушително четене, се състои в детектиране на слабо магнитно поле на цилиндричния домейн с помощта на магниторезистивен сензор.
Вторият начин е разрушително четене. Балонът се отклонява към специална пътека за генериране/детектиране, където балонът се унищожава чрез намагнитване на материала в правилната посока. Ако материалът е бил намагнитен в обратна посока, т.е. балонът е присъствал, това ще предизвика по-голям ток в бобината, който се засича от електронната схема. След това балонът трябва да бъде генериран отново на специалната пътека за запис.
Обаче, ако паметта е организирана под формата на един непрекъснат масив, тя ще има два големи недостатъка. На първо място, времето за достъп ще бъде много голямо. На второ място, един единствен дефект в веригата ще доведе до пълна непригодност на устройството. Затова паметта се организира под формата на една главна пътека и множество подчинени пътеки, както е показано на изображението.
Памет с един непрекъснат трек
Памет с главни/подчинени пътеки
Тази конфигурация на паметта позволява не само значително да се намали времето за достъп, но и позволява производството на устройства за памет, съдържащи известно количество дефектни пътеки. Контролерът на паметта трябва да ги взема предвид и да ги заобикаля при операции по четене/писане.
На изображението по-долу е показан срез на „чипа“ на паметта с балон.
Също така можете да прочетете за принципа на действие на паметта с балон в [4, 5].
3. Intel 7110
Intel 7110 — модул за памет с магнитни мехурчета, MBM (magnetic-bubble memory) с капацитет 1 Мб (1048576 бита). Точно той е изобразен на КДПВ. 1 мегабит е капацитет за съхранение на потребителски данни, като с оглед на излишните трекове общият капацитет възлиза на 1310720 бита. Устройството съдържа 320 петлеобразни трека (loops) с капацитет 4096 бита всеки, но за потребителските данни се използват само 256 от тях, останалото е резерв за замяна на „повредени“ трекове и за съхранение на излишния код за корекция на грешки. Устройството има архитектура „главен трек-подчинени трекове“ (major track-minor loop). Информацията за активните трекове е съдържаща се в отделен начален трек (bootstrap loop). На КДПВ можете да видите хексадецимален код, отпечатан директно на модула. Това е картата на „повредените“ трекове, 80 хексадецимални цифри представляват 320 трека данни, активните са представени с единичен бит, неактивните — с нулев бит.
Можете да се запознаете с оригиналната документация за модула в [7].
Устройството има корпус с двуредово разположение на изводите и се монтира без запои (в сокет).
Структурата на модула е показана на изображението:
Масивът на паметта се дели на две „полусекции“ (half sections), всяка от които се дели на две „четвертинки“ (quads), като всяка четвертинка има 80 подчинени трека. Модулът съдържа пластина с магнитен материал, разположена вътре в две ортогонални намотки, които създават въртящо се магнитно поле. За целта на намотките се подават сигнали с триъгълна форма, изместени на 90 градуса един спрямо друг. Сглобката от пластината и намотките е поставена между постоянни магнити и е поместена в магнитен екран, който затваря магнитния поток, създаван от постоянните магнити, и екранира устройството от външни магнитни полета. Пластината е разположена под наклон от 2,5 градуса, което създава малко поле на изместване, насочено по наклона. Това поле е пренебрежимо малко в сравнение с полето на намотките и не пречи на движението на мехурчетата при работа на устройството, но изместя мехурчетата в фиксирани позиции относно пермалоевите елементи, когато устройството е изключено. Силната перпендикулярна компонента на постоянните магнити поддържа съществуването на магнитни домейни с мехурчета.
Модулът съдържа следните възли:
- Запомнящи се трасета. Напълно същите трасета от пермаллоеви елементи, които задържат и насочват балоните.
- Генератор на репликация. Служи за репликация на балон, който постоянно присъства на мястото на генериране.
- Входно трасето и възли за размяна. Генерираните балони се движат по входното трасе. Балоните се движат към единия от 80-те подчинени трасета.
- Изходно трасе и възел за репликация. Балоните се прочитат от данните без разрушаване. Балонът се разделя на две части, и едната от тях се насочва към изходното трасе.
- Детектор. Балоните от изходното трасе попадат в магниторезистивния детектор.
- Зареждащо трасе. Зареждащо трасе съдържа информация за активните и неактивните трасета за данни.
По-долу ще разгледаме тези възли по-подробно. Също така можете да се запознаете с описанието на тези възли в [6].
Генериране на балон
За генериране на балон в самото начало на входното трасе има проводник, извит под формата на малка бримка. В него се подава импулс на ток, който създава в много малка област магнитно поле, по-силно от полето на постоянните магнити. Импулсът създава балон в това място, който остава постоянно, поддържан от постоянното магнитно поле, и циркулира по пермаллоевия елемент под действието на въртящото се магнитно поле. Ако трябва да запишем единица в паметта, подаваме кратък импулс в проводящата бримка и в резултат на това се раждат два балона (на изображението обозначени като Bubble split seed). Единият от балоните се устремява по въртящото се поле по пермаллоевото трасе, вторият остава на място и бързо придобива първоначалния си размер. След това той се премества към един от подчинените трасета и сменя мястото си с балона, който циркулира в него. Той от своя страна достига края на входното трасе и изчезва.
Размяна на балони
Размяната на балони се случва, когато в съответния проводник се подава импулс на ток с правоъгълна форма. При това не настъпва разделяне на балона на две части.
Четене на данни
Данните се предават на изходния трак чрез репликация и продължават да циркулират в своя трак след прочитане. По този начин в това устройство е реализиран неразрушаващ метод на четене. За репликация, мехурът се насочва под продълговат елемент от пермалой, под който той се разтяга. Отгоре също има проводник с форма на примка, който, ако се подаде импулс на ток, мехурът ще се раздели на две части. Импулсът на ток е съставен от кратък участък с голяма сила на тока, за да раздели мехурът на две части, и по-дълъг участък с по-малка сила на тока, за да насочи мехурът към изходния трак.
В края на изходния трак се намира детектор на мехури, магниторезистивен мост, изработен от пермалоеви елементи, образуващи дълга верига. Когато магнитният мехур попадне под пермалоен елемент, неговото съпротивление се променя и на изхода на моста се появява разлика на потенциал от няколко миливолта. Формата на пермалоевите елементи е проектирана така, че мехурът да се движи по тях; в края той попада на специална „охранителна“ шина и изчезва.
Излишък
Устройството съдържа 320 трака, всеки по 4096 бита. От тях 272 активни, 48 резервни, неактивни.
Зареждащ трак (Boot Loop)
Устройството съдържа 320 трака с данни, от които 256 са предназначени за съхранение на потребителски данни, а останалите могат да бъдат неизправни или могат да служат за резервни за подмяна на неизправни. Един допълнителен трак съдържа информация за използването на данните, по 12 бита за всеки трак. Когато на системата се подаде захранване, тя трябва да бъде инициализирана. По време на инициализацията контролерът трябва да прочете зареждащия трак и да запише информацията от него в специален регистър на чипа за форматиране/датчик на тока. След това контролерът ще използва само активните тракове, а неактивните ще бъдат игнорирани и запис в тях няма да се извършва.
Склад за данни — структура
От гледна точка на потребителя, данните се съхраняват в 2048 страници по 512 бита всяка. 256 байта данни, 14 бита код за корекция на грешки и 2 неизползвани бита се запазват във всяка половина на устройството.
Корекция на грешки
Откритие и корекция на грешки може да се извършва от схемата на сензора за ток, която съдържа декодер с 14-битов код за корекция на единични грешки с дължина до 5 бита (burst error) във всеки блок от 270 бита (включително самия код). Кодът се добавя в края на всеки 256-битов блок. Кодът за корекция може да бъде използван или не, по желание на потребителя, проверката на кода може да бъде активирана или деактивирана в контролера. Ако кодът не се използва, всички 270 бита могат да бъдат използвани за потребителски данни.
Време за достъп
Магнитното поле се върти с честота 50 кХц. Средното време за достъп до първия бит на първата страница е 41 мс, което е половината от времето, необходимо за пълно обикаляне на трака плюс времето за преминаване през изходния трак.
320 активни и резервни трака са разделени на четири части по 80 трака в всяка. Тази организация намалява времето за достъп. Четвъртините се адресират по двойки: всяка двойка четвъртини съдържа четни и нечетни битове на словото съответно. Устройството съдържа четири входни трака с четири начални мехурчета и четири изходни трака. Изходните трака използват два детектора, организирани така, че в един детектор никога да не попада две мехурчета от два трака едновременно. По този начин, четирите потока мехурчета се мултиплексират и преобразуват в два потока бита, които се запазват в регистрите на схемата на сензора за ток. Там съдържанието на регистрите отново се мултиплексира и по последователен интерфейс попада в контролера.
Във втората част на статията ще разгледаме по-подробно схемотехниката на контролера за мехурчета.
4. Списък с литература
Авторът е намерил в най-тъмните кътчета на мрежата и е запазил за вас множество полезни технически информации относно паметта на ЦМД, нейното развитие и други свързани аспекти:
1. — Две памети на инженера Бобек
2. — Две памети на инженера Бобек (част 2)
3. — Памет с мехурчета
4. Адаптация на магнитна памет с мехурчета в стандартна компютърна среда
5. — Памет с мехурчета Texas Instruments TIB 0203
6. — Ръководство за компоненти на паметта. Intel 1983.
7. 7110 1-Мегабитна памет с мехурчета
Източник: habr.com
