Памет в цилиндрични магнитни домени. Част 1. Принцип на работа

Снимка от колекцията на автора

1. История

Бубричната памет, или паметта на цилиндричните магнитни домейни, е енергийнонезависима памет, разработена в Bell Labs през 1967 година от Андрю Бобек. 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. Променяйки магнитното поле, тези балончета могат да се преместят. Тези свойства правят магнитните балончета идеално средство за изграждане на последователно хранилище на битове, подобно на подвижен регистър, където наличието или отсъствието на балонче на определена позиция означава нулева или единична стойност на бита. Диаметърът на балончето е стотни от микрон, един чип може да съхранява хиляди бита данни. Например, през пролетта на 1977 г. Texas Instruments за първи път представи на пазара чип с капацитет 92304 бита. Тази памет е енергийнонезависима, което я прави подобна на магнитната лента или диск, но тъй като е твърдотелна и не съдържа движещи се части, тя има по-висока надеждност от лентата или диска, не изисква поддръжка и е значително по-малка и по-лека, което я прави подходяща за преносими устройства.

Първоначално изобретателят на бубричната памет, Андрю Бобек, предложи «едномерна» версия на паметта, под формата на нишка, на която е навита тънка лента от феромагнитен материал. Тази памет се наричаше «твисторна» и дори се произвеждаше серийно, но бързо беше изтяснена от «двумерната» версия.

Можете да се запознаете с историята на създаването на бубричната памет в [1-3].

2. Принцип на работа

Тук моля да ми простите, не съм физик, затова изложението ще бъде много приблизително.

Някои материали (например, гадолиний-галиев гранат) притежават свойството да се намагнитват само в една посока, и ако по дължината на тази ос се приложи постоянно магнитно поле, намагнитените области ще формират нещо като балончета, както е показано на изображението по-долу. Всеки балон има само няколко микрона в диаметър.

Нека имаме тънък, около 0.001 инча, кристален филм от такъв материал, нанесен на немагнитна, например, стъклена, основа.

Всичко е за магическите мехурчета. Снимката отляво — магнитното поле отсъства, снимката отдясно — магнитното поле е насочено перпендикулярно на повърхността на филма.

Ако на повърхността на филма от такъв материал се създаде рисунка от магнитен материал, например, пермалоев, желязо-никелов сплав, то мехурчетата ще се магнитизират към елементите на тази рисунка. Обикновено се използват рисунки под формата на Т-образни или V-образни елементи.

Единично мехурче може да бъде образувано от магнитно поле 100-200 ерстед, прилагано перпендикулярно на магнитния филм и създавано от постоянен магнит, а въртящото се магнитно поле, образувано от две намотки в посоките XY, позволява перемещаването на мехурчета-домени от един магнитен 'остров' към друг, както е показано на изображението. След четири смени на посоката на магнитното поле, доменът ще се премести от един остров на съседния.

Всичко това позволява разглеждането на ЦМД-устройството като регистър за изместване. Ако образуваме мехурчета на единия край на регистра и ги откриваме на другия, можем да пуснем определен модел мехурчета в кръг и да използваме системата като устройство за памет, четейки и записвайки битове в определени моменти.

Оттук произтичат предимствата и недостатъците на паметта на ЦМД: предимството е енергийна независимост (докато е приложено перпендикулярно поле, създавано от постоянни магнити, мехурчетата няма да изчезнат и да се преместят от позициите си), а недостатъкът — голямо време за достъп, тъй като за достъп до произволен бит е необходимо да се завърти целият регистър до желаната позиция, и колкото по-дълъг е той, толкова повече цикли ще са необходими за това.

Моделът на магнитните елементи на магнитния филм ЦМД.

Създаването на магнитен домен се нарича на английски «nucleation» и се състои в това, че върху намотката се прилага ток от няколко стотин милиампера за около 100 нс, като се създава магнитно поле, перпендикулярно на филма и противоположно на полето на постоянния магнит. При това се създава магнитен «балон» — цилиндричен магнитен домен във филма. Процесът, за съжаление, зависи в значителна степен от температурата, което може да доведе до неуспешно завършване на операцията по запис, при което балонът не се формира, или до формирането на няколко балона.

За четене на данни от филма се използват различни техники.

Един от начините, неразрушаващо четене, се състои в откриването на слабо магнитно поле на цилиндричния домен с помощта на магниторезистивен сензор.

Вторият начин е разрушаващо четене. Балонът се пренасочва към специална пътека за генериране/детектиране, в която балонът се унищожава чрез намагнитване на материала в права посока. Ако материалът е бил намагнитен в обратна посока, т.е. балонът е присъствал, това ще предизвика по-голям ток в бобината, който се открива от електронната схема. След това балонът трябва да бъде генериран отново на специална пътека за запис.


Въпреки това, ако паметта е организирана под формата на един непрекъснат масив, тя ще има два значителни недостатъка. Първо, времето за достъп ще бъде много голямо. Второ, единствен дефект в веригата ще доведе до пълна неработоспособност на цялото устройство. Затова паметта се организира под формата на една главна пътека и много подчинени пътеки, както е показано на изображението.

Балонна памет с една непрекъсната пътека

Балонна памет с главни/подчинени пътеки

Тази конфигурация на паметта позволява не само да се намали значително времето за достъп, но и да се произвеждат устройства за памет, съдържащи определено количество дефектни пътеки. Контролерът на паметта трябва да ги вземе предвид и да ги заобикаля при операции по четене/запис.

На изображението по-долу е показан разрез на «чипа» на балонната памет.

Също така можете да прочетете за принципа на действие на балонната памет в [4, 5].

3. Intel 7110

Intel 7110 — модул с магнитна мемория, MBM (магнитна мемория с въздушни мехурчета) с капацитет от 1 Мб (1048576 бита). Точно той е показан на КДПВ. 1 мегабит е капацитет за съхранение на потребителски данни, като с оглед на излишните следи общият капацитет е 1310720 бита. Устройството съдържа 320 обиколни следи (loops) с капацитет от 4096 бита всяка, но за потребителски данни се използват само 256 от тях, а останалото е резерв за подмяна на «повредените» следи и за съхранение на излишния код за корекция на грешки. Устройството има архитектура «основен следа - второстепенни следи» (major track-minor loop). Информацията за активните следи е съдържаща се в отделен начален следа (bootstrap loop). На КДПВ можете да видите шестнадесетичен код, отпечатан директно на модула. Това е таблица на «повредените» следи, 80 шестнадесетични цифри представляват 320 следи данни, активните са представени с единичен бит, неактивните — с нулев.

Можете да се запознаете с оригиналната документация за модула в [7].

Устройството има корпус с двуредово разположение на изводите и се монтира без запояване (в сокет).

Структурата на модула е показана на рисунка:

Масивът памет се дели на две «половини» (half sections), всяка от които се дели на две «четвъртинки» (quads), всяка четвъртинка има 80 второстепенни следи. Модулът съдържа пластина с магнитен материал, разположена между две ортогонални навивки, които създават въртящо се магнитно поле. За това на навивките се подават сигнали с триъгълна форма, изместени на 90 градуса една спрямо друга. Сглобката от пластината и навивките е поставена между постоянни магнити и е поставена в магнитен екран, който замиква магнитния поток, създаден от постоянните магнити и екранира устройството от външни магнитни полета. Пластината е разположена под ъгъл от 2,5 градуса, което създава незначително поле на изместване, насочено по наклона. Това поле е незначително в сравнение с полето на намотките и не пречи на движението на мехурчетата по време на работа на устройството, но изместа мехурчетата в фиксирани позиции спрямо пермалоевите елементи, когато устройството е изключено. Силната перпендикулярна съставка на постоянните магнити поддържа съществуването на магнитни домейни от мехурчета.

Модулът съдържа следните възли:

1. Запомнящи следи. Пряко тези следи от пермалоева елементи, които задържат и насочват мехурчетата.
2. Генератор на репликация. Служи за репликация на мехурчета, които постоянно присъстват в мястото на генериране.
3. Входна следа и възли за обмен. Генерираните мехурчета се движат по входната следа. Мехурчетата се движат към една от 80 подчинени следи.
4. Изходна следа и възел за репликация. Мехурчетата се изчитат от данните без да бъдат разрушавани. Мехурът се разделя на две части, и едната от тях се насочва към изходната следа.
5. Детектор. Мехурчетата от изходната следа попадат в магниторезистивния детектор.
6. Зареждаща следа. Зареждащата следа съдържа информация за активните и неактивните следи за данни.

По-долу ще разгледаме тези възли по-подробно. Също така можете да се запознаете с описанието на тези възли в [6].

Генерация на мехурче

За генериране на мехурче, в самото начало на входната следа има проводник, извити под формата на малка пръстен. Импулс от ток се подава в него, който създава в много малка област магнитно поле, по-силно от това на постоянните магнити. Импулсът създава на това място мехурче, което остава постоянно, поддържано от постоянното магнитно поле, и циркулира по пермалоевия елемент под въздействието на въртящото се магнитно поле. Ако трябва да запишем единица в паметта, подаваме кратък импулс в проводящия пръстен, в резултат на което се раждат два мехурчета (на изображението обозначени като Bubble split seed). Едното от мехурчетата се устремява по въртящото се поле по пермалоевия следа, докато другото остава на място и бързо придобива първоначалния си размер. След това то се насочва към едно от подчинените следи и сменя местата с мехурчето, което циркулира в него. То от своя страна достига края на входната следа и изчезва.

Обмен на мехурчета

Обменът на мехурчета се извършва, когато в съответния проводник се подава импулс от ток с правоъгълна форма. При това не се извършва разделение на мехурче на две части.

Четене на данни

Данните се изпращат по изходния трак чрез тяхното репликиране и продължават да циркулират по своя трак след прочитане. Така в това устройство е реализиран неразрушителен метод за четене. За репликация, мехурчето се насочва под продълговат елемент от пермалой, под който се разтяга. Отгоре също има проводник под формата на примка; ако в примката се подаде импулс на ток, мехурчето ще се раздели на две части. Импулсът на ток се състои от кратък участък с голям ток за разделяне на мехурчето на две части и по-дълъг участък с по-малък ток, за да насочи мехурчето по изходния трак.

В края на изходния трак се намира детектор на мехурчета, магниторезистивен мост, изработен от пермалоеви елементи, образуващи дълга верига. Когато магнитното мехурче попадне под пермалоевия елемент, неговото съпротивление се променя и на изхода на моста се появява разлика на потенциалите от няколко миливолта. Формата на пермалоевите елементи е проектирана така, че мехурчето да се движи по тях; в края то попада на специален "охранителен" шин и изчезва.

Излишък

Устройството съдържа 320 трака, всеки от 4096 бита. От тях 272 активни, 48 резервни, неактивни.

Зареден трак (Boot Loop)

Устройството съдържа 320 трака данни, от които 256 са предназначени за съхранение на потребителски данни, а останалите могат да бъдат неизправни или да служат като резервни за замяна на неизправни. Един допълнителен трак съдържа информация за използването на данните, по 12 бита на всеки трак. Когато системата бъде захранена, трябва да бъде инициализирана. По време на инициализацията контролерът трябва да прочете заредения трак и да запише информацията от него в специален регистър на чипа за форматиране/токов сензор. Тогава контролерът ще използва само активните тракове, докато неактивните ще бъдат игнорирани и в тях няма да се записва.

Хранилище на 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 съхраняват в всяка половина на устройството.

Корекция на грешки

Откритие и корекция на грешки може да се извършва от микрочипа на сензора за ток, който съдържа декодер на 14-битен код, коригиращ единична грешка с дължина до 5 бита (периодична грешка) във всеки блок от 270 бита (включително самия код). Кодът се добавя в края на всеки 256-битен блок. Кодът за корекция може да се използва или да не се използва, по желание на потребителя, проверката на кода може да бъде включена или изключена в контролера. Ако кодът не се използва, всички 270 бита могат да се използват 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 извършване на пълен цикъл по трак плюс времето за преминаване през изходния трак.

320 активни и резервни трака са разделени на четири части по 80 трака във всяка. Тази организация намалява времето за достъп. Четвъртините се адресират по двойки: всяка двойка четвъртини съдържа четни и нечетни битове на думата 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 попадат две мехурчета от два трака едновременно. По този начин, четирите потока мехурчета се мултиплексират и преобразуват в два потока бита и се съхраняват в регистрите на чипа на сензора за ток. Там съдържанието на регистрите отново се мултиплексира и по последователен интерфейс достига до контролера.

Във втората част на статията ще разгледаме по-подробно схемотехниката на контролера за мехурчеста памет.

4. Списък с литература

Авторът е намерил в най-тъмните кътчета на мрежата и е запазил за вас множество полезна техническа информация относно паметта на ЦМД, нейната история и други свързани аспекти:

1. https://old.computerra.ru/vision/621983/ — Две памети на инженер Бобек
2. https://old.computerra.ru/vision/622225/ — Две памети на инженер Бобек (част 2)
3. http://www.wikiwand.com/en/Bubble_memory — Мехурчеста памет
4. https://cloud.mail.ru/public/3qNi/33LMQg8Fn Адаптация на магнитната мехурчеста памет в стандартна микро компютърна среда
5. https://cloud.mail.ru/public/4YgN/ujdGWtAXf — Мехурчеста памет на Texas Instruments TIB 0203
6. https://cloud.mail.ru/public/4PRV/5qC4vyjLa — Ръководство за компоненти на паметта. Intel 1983.
7. https://cloud.mail.ru/public/4Mjv/41Xrp4Rii 7110 1-Mегабитна мехурчеста памет

Източник: habr.com