Памет върху цилиндрични магнитни домейни. Част 1. Как работи

Снимка от колекцията на автора

1. Историята

Мехурчестата памет или паметта с цилиндричен магнитен домейн е енергонезависима памет, разработена в Bell Labs през 1967 г. от Андрю Бобек. Проучванията показват, че малки цилиндрични магнитни домени 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 тези мехурчета могат да бъдат преместени. Такива свойства правят магнитните мехурчета идеални за изграждане на серийно хранилище на битове, като регистър за преместване, в който наличието или отсъствието на балонче в определена позиция показва стойност нула или един бит. Балонът е с диаметър десети от микрона и един чип може да съхранява хиляди битове данни. Така например през пролетта на 1977 г. Texas Instruments за първи път представи на пазара чип с капацитет 92304 бита. Тази памет е енергонезависима, което я прави подобна на магнитна лента или диск, но тъй като е в твърдо състояние и няма движещи се части, тя е по-надеждна от лентата или диска, не изисква поддръжка и е много по-малка и лека. , и може да се използва в преносими устройства.

Първоначално изобретателят на балонната памет Андрю Бобек предложи "едноизмерна" версия на паметта под формата на нишка, около която е навита тънка лента от феромагнитен материал. Такава памет беше наречена "twistor" памет и дори беше масово произведена, но скоро беше заменена от "двуизмерната" версия.

Можете да прочетете за историята на създаването на мехурчеста памет в [1-3].

2. Принцип на действие

Тук моля да ме извините, не съм физик, така че представянето ще бъде много приблизително.

Някои материали (като гадолиниево-галиев гранат) имат свойството да се магнетизират само в една посока и ако по тази ос се приложи постоянно магнитно поле, магнетизираните области ще образуват нещо като мехурчета, както е показано на фигурата по-долу. Всеки мехур е само няколко микрона в диаметър.

Да предположим, че имаме тънък, от порядъка на 0,001 инча, кристален филм от такъв материал, отложен върху немагнитен субстрат, като например стъкло.

Всичко е за магическите мехурчета. Картината вляво - няма магнитно поле, снимката вдясно - магнитното поле е насочено перпендикулярно на повърхността на филма.

Ако върху повърхността на филм от такъв материал се образува модел от магнитен материал, например пермалой, желязо-никелова сплав, тогава мехурчетата ще бъдат намагнетизирани към елементите на този модел. Обикновено се използват модели под формата на Т-образни или V-образни елементи.

Един балон може да се образува от магнитно поле от 100-200 ерстеда, което се прилага перпендикулярно на магнитния филм и се създава от постоянен магнит, а въртящо се магнитно поле, образувано от две намотки в посоките XY, ви позволява да се движите мехурчетата от един магнитен "остров" до друг, както е показано на фигурата. След четирикратна промяна в посоката на магнитното поле домейнът ще се премести от един остров на друг.

Всичко това ни позволява да разглеждаме CMD устройството като регистър за смяна. Ако образуваме мехурчета в единия край на регистъра и ги открием в другия, тогава можем да издухаме определен модел от мехурчета наоколо и да използваме системата като устройство с памет, четейки и записвайки битове в определени моменти.

Оттук следват предимствата и недостатъците на CMD паметта: предимството е енергийната независимост (докато се прилага перпендикулярно поле, създадено от постоянни магнити, мехурчетата няма да изчезнат никъде и няма да мръднат от позициите си), а недостатъкът е дълго време за достъп, т.к за достъп до произволен бит, трябва да превъртите целия регистър за преместване до желаната позиция и колкото по-дълъг е той, толкова повече цикли ще изисква това.

Моделът на магнитните елементи върху CMD магнитния филм.

Създаването на магнитен домейн се нарича на английски "nucleation" и се състои в това, че ток от няколкостотин милиампера се прилага към намотката за време от около 100 ns и се създава магнитно поле, което е перпендикулярно на филм и противоположно на полето на постоянен магнит. Това създава магнитен "балон" - цилиндричен магнитен домен във филма. Процесът, за съжаление, е силно зависим от температурата, възможно е операция за запис да се провали, без да се образува балон, или да се образуват множество мехурчета.

Използват се няколко техники за четене на данни от филм.

Един от начините за неразрушително отчитане е да се открие слабото магнитно поле на цилиндричния домен с помощта на магниторезистивен сензор.

Вторият начин е разрушителното четене. Балонът се отвежда до специална писта за генериране/откриване, където мехурът се унищожава чрез намагнитване напред на материала. Ако материалът беше обратно намагнетизиран, т.е. имаше балон, това би причинило повече ток в намотката и това ще бъде открито от електронната схема. След това балонът трябва да се генерира отново на специална записваща писта.


Ако обаче паметта е организирана като един непрекъснат масив, тогава тя ще има два големи недостатъка. Първо, времето за достъп ще бъде много дълго. Второ, единичен дефект във веригата ще доведе до пълна неработоспособност на цялото устройство. Следователно те създават памет, организирана под формата на една главна песен и много подчинени песни, както е показано на фигурата.

Мехурчеста памет с една непрекъсната песен

Мехурчеста памет с главни/подчинени песни

Такава конфигурация на паметта позволява не само значително намаляване на времето за достъп, но също така позволява производството на устройства с памет, съдържащи определен брой дефектни песни. Контролерът на паметта трябва да ги вземе предвид и да ги заобиколи по време на операции за четене / запис.

Фигурата по-долу показва напречно сечение на „чип“ с балон памет.

Можете също да прочетете за принципа на балонната памет в [4, 5].

3. Intel 7110

Intel 7110 - балонен модул памет, MBM (magnetic-bubble memory) с капацитет 1 MB (1048576 бита). Именно той е изобразен на KDPV. 1 мегабит е капацитетът за съхранение на потребителски данни, като се вземат предвид излишните песни, общият капацитет е 1310720 бита. Устройството съдържа 320 циклични песни (цикли) с капацитет от 4096 бита всяка, но само 256 от тях се използват за потребителски данни, останалото е резерв за замяна на „счупени“ песни и за съхраняване на излишен код за коригиране на грешки. Устройството има архитектура с основна писта-минорна верига. Информацията за активните песни се съдържа в отделна зареждаща песен (bootstrap цикъл). На KDPV можете да видите шестнадесетичния код, отпечатан точно върху модула. Това е картата на "счупените" следи, 80 шестнадесетични цифри представляват 320 следи с данни, активните са представени с един бит, неактивните - с нула.

Можете да прочетете оригиналната документация за модула в [7].

Устройството има корпус с двуредно разположение на щифтовете и се монтира без запояване (в гнездо).

Структурата на модула е показана на фигурата:

Масивът на паметта е разделен на две "половини секции" (половина секции), всяка от които е разделена на две "четвърти" (четворки), всяка четвърт има 80 подчинени песни. Модулът съдържа плоча с магнитен материал, разположена вътре в две ортогонални намотки, които създават въртящо се магнитно поле. За да направите това, към намотките се прилагат токови сигнали с триъгълна форма, изместени на 90 градуса един спрямо друг. Сглобката от плоча и намотки се поставя между постоянните магнити и се поставя в магнитен щит, който затваря магнитния поток, генериран от постоянните магнити, и предпазва устройството от външни магнитни полета. Плочата е поставена под наклон 2,5 градуса, което създава малко поле на преместване по наклона. Това поле е незначително в сравнение с полето на бобините и не пречи на движението на мехурчетата по време на работа на устройството, но измества мехурчетата във фиксирани позиции спрямо пермалоевите елементи, когато устройството е изключено. Силният перпендикулярен компонент на постоянните магнити поддържа съществуването на мехурчета магнитни домейни.

Модулът съдържа следните възли:

1. Следи от паметта. Директно тези релси от елементи от пермалой, които държат и насочват мехурчетата.
2. генератор на репликация. Служи за репликацията на мехурчето, което постоянно присъства на мястото на генериране.
3. Входна песен и възли за обмен. Генерираните балончета се движат по входната писта. Мехурчетата се преместват в една от 80 подчинени песни.
4. Изходна писта и възел за репликация. Мехурчетата се изваждат от записите с данни, без да се унищожават. Балонът се разделя на две части и едната от тях отива към изходната писта.
5. детектор. Мехурчетата от изходната писта влизат в магниторезистивния детектор.
6. Зарежда се песен. Пътят за зареждане съдържа информация за активни и неактивни следи с данни.

По-долу ще разгледаме тези възли по-подробно. Можете също да прочетете описанието на тези възли в [6].

генериране на балон

За да се генерира балон, в самото начало на входната писта има проводник, огънат под формата на малка примка. Към него се прилага токов импулс, който създава магнитно поле в много малка област, по-силно от полето на постоянните магнити. Импулсът създава балон в тази точка, който остава постоянно поддържан от постоянно магнитно поле и циркулира по протежение на пермалоевия елемент под въздействието на въртящо се магнитно поле. Ако трябва да запишем единица в паметта, прилагаме кратък импулс към проводящия контур и в резултат се раждат два мехурчета (означени като Bubble split seed на фигурата). Едно от мехурчетата се изстрелва от въртящото се поле по протежение на пермалоевата релса, второто остава на място и бързо придобива първоначалния си размер. След това се премества на една от подчинените писти и разменя местата си с балончето, което циркулира в него. Той от своя страна стига до края на входната песен и изчезва.

балон обмен

Обмяната на мехурчета възниква, когато към съответния проводник се приложи правоъгълен токов импулс. В този случай балонът не се разделя на две части.

Четене на данни

Данните се изпращат към изходната писта чрез репликация и продължават да циркулират в своята писта, след като бъдат прочетени. По този начин това устройство прилага неразрушителен метод на четене. За да се репликира, балонът се насочва под удължен пермалоен елемент, под който се опъва. Отгоре също има проводник под формата на контур, ако към контура се приложи токов импулс, балонът ще бъде разделен на две части. Токовият импулс се състои от кратък участък с висок ток за разделяне на мехурчето на две части и по-дълъг участък с по-малък ток за насочване на мехурчето към изходната пътека.

В края на изходната писта е детекторът на мехурчета, магниторезистивен мост, направен от пермалоеви елементи, образуващи дълга верига. Когато магнитен мехур попадне под пермалоев елемент, неговото съпротивление се променя и на изхода на моста се появява потенциална разлика от няколко миливолта. Формата на пермалоевите елементи е избрана така, че мехурчето да се движи по тях, накрая да се удря в специална гума „пазач“ и да изчезва.

Съкращаване

Устройството съдържа 320 писти, всяка с 4096 бита. От тях 272 са активни, 48 са резервни, неактивни.

Стартираща песен (Boot Loop)

Устройството съдържа 320 записа с данни, от които 256 са предназначени за съхранение на потребителски данни, останалите може да са дефектни или да служат като резервни за замяна на дефектни. Една допълнителна песен съдържа информация за използването на песни с данни, 12 бита на песен. Когато системата е включена, тя трябва да бъде инициализирана. По време на процеса на инициализация контролерът трябва да прочете пистата за зареждане и да запише информация от нея в специален регистър на форматиращия чип / сензора за ток. Тогава контролерът ще използва само активни песни, а неактивните ще бъдат игнорирани и няма да бъдат записвани.

Data Warehouse – Структура

От гледна точка на потребителя данните се съхраняват в 2048 страници по 512 бита всяка. 256 байта данни, 14 бита код за коригиране на грешки и 2 неизползвани бита се съхраняват във всяка половина на устройството.

Корекция на грешка

Откриването и коригирането на грешки може да се извърши от текущ сензорен чип, който съдържа 14-битов кодов декодер, който коригира единична грешка с дължина до 5 бита (пакетна грешка) във всеки блок от 270 бита (включително самия код). Кодът се добавя към края на всеки 256-битов 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 не се използва код, всичките 270 бита могат да се използват за потребителски данни.

Време за достъп

Магнитното поле се върти с честота 50 kHz. Средното време за достъп до първия бит на първата страница е 41 ms, което е половината от времето, необходимо за завършване на пълен цикъл през песента плюс времето, необходимо за преминаване през изходната песен.

320-те активни и резервни писти са разделени на четири части по 80 писти всяка. Тази организация намалява времето за достъп. Четвъртинките се адресират по двойки: всяка двойка четвъртини съдържа съответно четни и нечетни битове от думата. Устройството съдържа четири входни писти с четири начални балончета и четири изходни писти. Изходните писти използват два детектора, те са организирани по такъв начин, че два мехурчета от две писти никога не удрят един детектор едновременно. По този начин четирите мехурчета се мултиплексират и преобразуват в два битови потока и се съхраняват в регистрите на текущия сензорен чип. Там съдържанието на регистрите отново се мултиплексира и изпраща към контролера чрез серийния интерфейс.

Във втората част на статията ще разгледаме по-подробно схемата на контролера на балонната памет.

4. Препратки

Авторът намери в най-тъмните ъгли на мрежата и запази за вас много полезна техническа информация за паметта на CMD, нейната история и други свързани аспекти:

1. https://old.computerra.ru/vision/621983/ — Два спомена на инж. Бобек
2. https://old.computerra.ru/vision/622225/ - Два спомена на инженер Бобек (част 2)
3. http://www.wikiwand.com/en/Bubble_memory — Мехурчеста памет
4. https://cloud.mail.ru/public/3qNi/33LMQg8Fn Адаптиране на магнитна балонна памет в стандартна микрокомпютърна среда
5. https://cloud.mail.ru/public/4YgN/ujdGWtAXf - Texas Instruments TIB 0203 Bubble Memory
6. https://cloud.mail.ru/public/4PRV/5qC4vyjLa — Наръчник за компоненти на паметта. Intel 1983.
7. https://cloud.mail.ru/public/4Mjv/41Xrp4Rii 7110 1-мегабитова балонна памет

Източник: www.habr.com