Fotografija iz autorove kolekcije
1. Istorija
Bubble memorija, ili cilindrična magnetna domenska memorija, je nepromjenjiva memorija koju je 1967. godine razvio Andrew Bobeck u Bell Labsu. Istraživanja su pokazala da se male cilindrične magnetne domene formiraju u monokristalnim tankim filmovima ferita i granata kada je dovoljno jako magnetsko polje usmjereno okomito na površinu filma. Promjenom magnetnog polja ovi mjehurići se mogu pomicati. Takva svojstva čine magnetne mehuriće idealnim za izgradnju serijskog skladištenja bitova, poput registra pomeranja, u kojem prisustvo ili odsustvo balona na određenoj poziciji ukazuje na nultu ili jednu bitnu vrednost. Mehur ima desetinke mikrona u prečniku, a jedan čip može pohraniti hiljade bitova podataka. Tako je, na primjer, u proljeće 1977. godine, Texas Instruments prvi put uveo na tržište čip kapaciteta 92304 bita. Ova memorija je nepostojana, što je čini sličnom magnetnoj vrpci ili disku, ali budući da je u čvrstom stanju i nema pokretnih dijelova, pouzdanija je od trake ili diska, ne zahtijeva održavanje i mnogo je manja i lakša. , može se koristiti u prijenosnim uređajima.
U početku je izumitelj mjehurićaste memorije, Andrew Bobek, predložio "jednodimenzionalnu" verziju pamćenja, u obliku niti oko koje je namotana tanka traka feromagnetnog materijala. Takva memorija je nazvana "twistor" memorija i čak je masovno proizvedena, ali je ubrzo zamijenjena "dvodimenzionalnom" verzijom.
O istoriji stvaranja mehurića možete pročitati u [1-3].
2. Princip rada
Evo molim vas da mi oprostite, ja nisam fizičar, tako da će prezentacija biti vrlo približna.
Neki materijali (kao što je gadolinijum galijev granat) imaju svojstvo magnetiziranja samo u jednom smjeru, a ako se primijeni konstantno magnetsko polje duž ove ose, magnetizirane regije će formirati nešto poput mjehurića, kao što je prikazano na donjoj slici. Svaki mjehur ima prečnik samo nekoliko mikrona.
Pretpostavimo da imamo tanak, reda veličine 0,001 inča, kristalni film takvog materijala nanesen na nemagnetnu, poput stakla, podlogu.
Sve je u čarobnim mjehurićima. Slika lijevo - nema magnetnog polja, slika desno - magnetsko polje je usmjereno okomito na površinu filma.
Ako se na površini filma takvog materijala formira uzorak od magnetskog materijala, na primjer, permaloja, legure željeza i nikla, tada će se mjehurići magnetizirati na elemente ovog uzorka. Obično se koriste uzorci u obliku elemenata u obliku slova T ili V.
Jedan mjehur može se formirati magnetnim poljem od 100-200 ersteda, koje se primjenjuje okomito na magnetni film i stvara ga stalni magnet, a rotirajuće magnetsko polje formirano od dvije zavojnice u smjeru XY omogućava vam da se krećete mjehuriće domene od jednog magnetnog "ostrva" do drugog, kao što je prikazano na slici. Nakon četverostruke promjene smjera magnetskog polja, domena će se kretati od jednog otoka do drugog.
Sve ovo nam omogućava da posmatramo CMD uređaj kao pomični registar. Ako formiramo mjehuriće na jednom kraju registra i otkrijemo ih na drugom, tada možemo raznijeti određeni obrazac mehurića i koristiti sistem kao memorijski uređaj, čitajući i zapisujući bitove u određenim trenucima.
Odavde slijede prednosti i nedostaci CMD memorije: prednost je energetska neovisnost (sve dok se primjenjuje okomito polje koje stvaraju trajni magneti, mjehurići neće nigdje nestati i neće se pomjeriti sa svojih pozicija), a nedostatak je dugo vrijeme pristupa, jer da biste pristupili proizvoljnom bitu, potrebno je da skrolujete ceo registar pomeranja do željene pozicije, i što je duži, to će zahtevati više ciklusa.
Uzorak magnetnih elemenata na CMD magnetnom filmu.
Stvaranje magnetne domene se na engleskom naziva "nucleation", a sastoji se u tome da se na namotaj dovede struja od nekoliko stotina miliampera u vremenu od oko 100 ns i stvori se magnetsko polje koje je okomito na filma i suprotno polju stalnog magneta. Ovo stvara magnetni "mjehur" - cilindrični magnetni domen u filmu. Proces, nažalost, u velikoj mjeri ovisi o temperaturi, moguće je da operacija pisanja ne uspije bez formiranja mehurića ili da se formira više mehurića.
Za čitanje podataka iz filma koristi se nekoliko tehnika.
Jedan od načina, nedestruktivno očitavanje, je detekcija slabog magnetnog polja cilindričnog domena pomoću magnetorezistivnog senzora.
Drugi način je destruktivno čitanje. Mjehur se usmjerava na specijalnu stazu za generiranje/detekciju, gdje se mjehur uništava magnetizacijom materijala naprijed. Ako je materijal bio reverzno magnetiziran, tj. bio je prisutan mjehur, to bi izazvalo veću struju u zavojnici i to bi detektiralo elektronsko kolo. Nakon toga, balon se mora ponovo generisati na posebnoj stazi za snimanje.
Međutim, ako je memorija organizirana kao jedan neprekidni niz, tada će imati dva velika nedostatka. Prvo, vrijeme pristupa će biti jako dugo. Drugo, jedan kvar u lancu dovest će do potpune nefunkcionalnosti cijelog uređaja. Stoga, oni čine memoriju organiziranu u obliku jedne glavne staze i više podređenih staza, kao što je prikazano na slici.
Memorija mehurića sa jednom kontinuiranom stazom
Bubble memorija sa glavnim/podređenim stazama
Takva konfiguracija memorije omogućava ne samo značajno smanjenje vremena pristupa, već omogućava i proizvodnju memorijskih uređaja koji sadrže određeni broj neispravnih staza. Kontrolor memorije ih mora uzeti u obzir i zaobići tokom operacija čitanja/pisanja.
Na slici ispod prikazan je poprečni presjek "čipa" memorije mehurića.
O principu bubble memorije možete pročitati i u [4, 5].
3. Intel 7110
Intel 7110 - bubble memorijski modul, MBM (magnetic-bubble memory) kapaciteta 1 MB (1048576 bita). On je taj koji je prikazan na KDPV-u. 1 megabit je kapacitet za pohranjivanje korisničkih podataka, uzimajući u obzir redundantne staze, ukupan kapacitet je 1310720 bita. Uređaj sadrži 320 petlji (petlji) kapaciteta 4096 bita svaka, ali se samo 256 koristi za korisničke podatke, ostatak je rezerva za zamjenu „pokvarenih“ staza i za pohranjivanje suvišnog koda za ispravljanje grešaka. Uređaj ima arhitekturu glavne trake i manje petlje. Informacije o aktivnim stazama nalaze se u zasebnoj stazi za pokretanje (bootstrap petlja). Na KDPV-u možete vidjeti heksadecimalni kod odštampan desno na modulu. Ovo je mapa „razbijenih“ staza, 80 heksadecimalnih cifara predstavlja 320 tragova podataka, aktivni su predstavljeni jednim bitom, a neaktivni nulom.
Originalnu dokumentaciju za modul možete pročitati u [7].
Uređaj ima kućište sa dvorednim rasporedom pinova i montira se bez lemljenja (u utičnicu).
Struktura modula je prikazana na slici:
Memorijski niz je podijeljen na dvije "polusekcije" (polusekcije), od kojih je svaka podijeljena na dvije "četvrtine" (quads), svaka četvrtina ima 80 slave traka. Modul sadrži ploču s magnetnim materijalom smještenu unutar dva ortogonalna namotaja koja stvaraju rotirajuće magnetsko polje. Da biste to učinili, na namotaje se primjenjuju strujni signali trokutastog oblika, pomaknuti za 90 stupnjeva jedan u odnosu na drugi. Sklop ploče i namotaja se postavlja između trajnih magneta i postavlja u magnetni štit koji zatvara magnetni tok koji stvaraju trajni magneti i štiti uređaj od vanjskih magnetnih polja. Ploča je postavljena pod nagibom od 2,5 stepeni, što stvara malo polje pomaka duž nagiba. Ovo polje je zanemarljivo u odnosu na polje namotaja, i ne ometa kretanje mehurića tokom rada uređaja, ali pomera mehuriće u fiksne položaje u odnosu na elemente od permaloja kada je uređaj isključen. Jaka okomita komponenta trajnih magneta podržava postojanje mjehurastih magnetnih domena.
Modul sadrži sljedeće čvorove:
- Tragovi memorije. Direktno one tragove permalloy elemenata koji drže i vode mjehuriće.
- generator replikacije. Služi za replikaciju mehurića koji je stalno prisutan na mestu generisanja.
- Ulazni trag i čvorovi za razmjenu. Generisani mehurići se kreću duž ulazne staze. Mjehurići se premještaju na jedan od 80 slave staza.
- Izlazni trag i čvor za replikaciju. Oblačići se oduzimaju od tragova podataka bez njihovog uništavanja. Mjehur se dijeli na dva dijela, a jedan od njih odlazi na izlaznu stazu.
- Detektor. Mjehurići iz izlazne staze ulaze u magnetorezitivni detektor.
- Učitavanje traga. Staza za pokretanje sadrži informacije o aktivnim i neaktivnim stazama podataka.
U nastavku ćemo detaljnije pogledati ove čvorove. Takođe možete pročitati opis ovih čvorova u [6].
stvaranje balona
Da bi se stvorio balon, na samom početku ulazne staze nalazi se provodnik savijen u obliku male petlje. Na njega se primjenjuje strujni impuls koji stvara magnetsko polje na vrlo maloj površini jače od polja trajnih magneta. Impuls stvara mjehur u ovoj tački, koji ostaje trajno održavan konstantnim magnetskim poljem i cirkulira duž permalloy elementa pod utjecajem rotirajućeg magnetnog polja. Ako treba da zapišemo jedinicu u memoriju, primenjujemo kratki impuls na provodnu petlju, i kao rezultat, rađaju se dva mehurića (označeno kao Bubble split seed na slici). Jedan od mjehurića juri rotirajućim poljem duž staze permalloy, drugi ostaje na mjestu i brzo dobija svoju prvobitnu veličinu. Zatim se pomiče na jednu od podređenih staza i mijenja mjesta s mjehurićem koji kruži u njemu. On, zauzvrat, stiže do kraja ulaznog zapisa i nestaje.
razmena mehurića
Razmjena mjehurića se događa kada se pravokutni strujni impuls primijeni na odgovarajući provodnik. U ovom slučaju, mjehur se ne dijeli na dva dijela.
Čitanje podataka
Podaci se šalju na izlaznu stazu replikacijom i nastavljaju kružiti u svojoj stazi nakon čitanja. Dakle, ovaj uređaj implementira nedestruktivnu metodu očitavanja. Da bi se replicirao, mjehur se vodi ispod izduženog permalloy elementa, ispod kojeg se rasteže. Iznad se nalazi i provodnik u obliku petlje, ako se strujni impuls primijeni na petlju, mjehur će se podijeliti na dva dijela. Strujni impuls se sastoji od kratkog dijela sa velikom strujom za podjelu mjehura na dva dijela i dužeg dijela sa manjom strujom za usmjeravanje mjehura na izlaznu stazu.
Na kraju izlazne staze nalazi se detektor mjehurića, magnetorezitivni most napravljen od permaloj elemenata koji formiraju dugačko kolo. Kada magnetni mjehur padne ispod permalloy elementa, njegov otpor se mijenja i na izlazu mosta pojavljuje se potencijalna razlika od nekoliko milivolti. Oblik permalloy elemenata je odabran tako da se mjehur pomiče duž njih, na kraju udari u posebnu gumu "zaštitnu" i nestane.
Redundantnost
Uređaj sadrži 320 staza, svaka sa 4096 bita. Od toga je 272 aktivno, 48 rezervnih, neaktivnih.
Boot track (Boot Loop)
Uređaj sadrži 320 tragova podataka, od kojih je 256 namijenjeno za pohranu korisničkih podataka, ostali mogu biti neispravni ili mogu poslužiti kao rezervni za zamjenu neispravnih. Jedna dodatna staza sadrži informacije o korištenju staza podataka, 12 bita po stazi. Kada se sistem uključi, mora se inicijalizirati. Tokom procesa inicijalizacije, kontroler mora pročitati boot track i upisati informacije iz njega u poseban registar čipa za formatiranje / trenutnog senzora. Tada će kontroler koristiti samo aktivne staze, a neaktivni će biti zanemareni i neće biti upisani u njih.
Skladište podataka - struktura
Sa korisničke tačke gledišta, podaci su pohranjeni na 2048 stranica od 512 bita svaka. 256 bajtova podataka, 14 bitova koda za ispravljanje grešaka i 2 neiskorištena bita pohranjeni su u svakoj polovini uređaja.
Error Correction
Otkrivanje i ispravljanje grešaka može se izvršiti pomoću trenutnog senzorskog čipa, koji sadrži 14-bitni dekoder koda koji ispravlja jednu grešku dužine do 5 bita (burst error) u svakom bloku od 270 bita (uključujući sam kod). Kod se dodaje na kraj svakog 256-bitnog bloka. Korekcioni kod se može koristiti ili ne koristiti, na zahtev korisnika, verifikacija koda se može uključiti ili isključiti u kontroleru. Ako se ne koristi kod, svih 270 bitova se može koristiti za korisničke podatke.
Vrijeme pristupa
Magnetno polje rotira frekvencijom od 50 kHz. Prosječno vrijeme pristupa prvom bitu prve stranice je 41 ms, što je polovina vremena potrebnog da se završi cijeli ciklus kroz stazu plus vrijeme potrebno za prolazak kroz izlaznu stazu.
320 aktivnih i rezervnih staza podijeljeno je u četiri dijela od po 80 staza. Ova organizacija smanjuje vrijeme pristupa. Četvrtine se adresiraju u parovima: svaki par četvrtina sadrži parne i neparne bitove riječi, respektivno. Uređaj sadrži četiri ulazne staze sa četiri početna mehurića i četiri izlazne staze. Izlazne staze koriste dva detektora, oni su organizovani tako da dva mehura sa dve staze nikada ne udare u jedan detektor u isto vreme. Dakle, četiri toka mehurića se multipleksiraju i pretvaraju u dva toka bita i pohranjuju u registre trenutnog senzorskog čipa. Tu se sadržaj registara ponovo multipleksira i šalje u kontroler preko serijskog interfejsa.
U drugom dijelu članka pobliže ćemo pogledati sklopove kontrolera mjehurića memorije.
4. Reference
Autor je pronašao u najmračnijim kutovima mreže i sačuvao za vas mnogo korisnih tehničkih informacija o memoriji na CMD-u, njegovoj povijesti i drugim srodnim aspektima:
1. — Dva sjećanja na inženjera Bobeka
2. - Dvije uspomene na inženjera Bobeka (2. dio)
3. — Memorija mehurića
4. Adaptacija Magnetic Bubble Memory u standardnom mikrokompjuterskom okruženju
5. - Texas Instruments TIB 0203 Bubble Memory
6. — Priručnik za memorijske komponente. Intel 1983.
7. 7110 1-Megabit Bubble Memory
izvor: www.habr.com