Foto de la col·lecció de l'autor
1. Història
La memòria de bombolles, o memòria de domini magnètic cilíndric, és una memòria no volàtil desenvolupada als Bell Labs el 1967 per Andrew Bobeck. Els estudis han demostrat que petits dominis magnètics cilíndrics es formen en pel·lícules primes d'un sol cristall de ferrites i granats quan un camp magnètic prou fort es dirigeix perpendicularment a la superfície de la pel·lícula. En canviar el camp magnètic, aquestes bombolles es poden moure. Aquestes propietats fan que les bombolles magnètiques siguin ideals per a la construcció d'emmagatzematge de bits en sèrie, com un registre de desplaçament, en què la presència o absència d'una bombolla en una determinada posició indica un valor zero o un bit. La bombolla fa dècimes de micres de diàmetre i un sol xip pot emmagatzemar milers de bits de dades. Així, per exemple, a la primavera de 1977, Texas Instruments va introduir per primera vegada al mercat un xip amb una capacitat de 92304 bits. Aquesta memòria no és volàtil, la qual cosa la fa semblant a la cinta magnètica o al disc, però com que és d'estat sòlid i no té parts mòbils, és més fiable que la cinta o el disc, no requereix manteniment i és molt més petita i lleugera. es pot utilitzar en dispositius portàtils.
Inicialment, l'inventor de la memòria de bombolles, Andrew Bobek, va proposar una versió "unidimensional" de la memòria, en forma de fil al voltant del qual s'enrotlla una tira fina de material ferromagnètic. Aquesta memòria es va anomenar memòria "twistor", i fins i tot es va produir en massa, però aviat va ser substituïda per la versió "bidimensional".
Podeu llegir la història de la creació de la memòria de bombolles a [1-3].
2. Principi de funcionament
Aquí us demano que em perdoneu, no sóc físic, així que la presentació serà molt aproximada.
Alguns materials (com el granat de gadolini gal·li) tenen la propietat de ser magnetitzats només en una direcció, i si s'aplica un camp magnètic constant al llarg d'aquest eix, les regions magnetitzades formaran alguna cosa com bombolles, com es mostra a la figura següent. Cada bombolla només té unes poques micres de diàmetre.
Suposem que tenim una pel·lícula cristal·lina fina, de l'ordre de 0,001 polzades, d'aquest material dipositat sobre un substrat no magnètic, com ara el vidre.
Tot es tracta de les bombolles màgiques. La imatge de l'esquerra - no hi ha camp magnètic, la imatge de la dreta - el camp magnètic es dirigeix perpendicularment a la superfície de la pel·lícula.
Si a la superfície d'una pel·lícula d'aquest material es forma un patró a partir d'un material magnètic, per exemple, permalloy, un aliatge de ferro-níquel, les bombolles es magnetitzaran als elements d'aquest patró. Normalment, s'utilitzen patrons en forma d'elements en forma de T o en forma de V.
Una sola bombolla pot estar formada per un camp magnètic de 100-200 oersteds, que s'aplica perpendicularment a la pel·lícula magnètica i és creat per un imant permanent, i un camp magnètic giratori format per dues bobines en les direccions XY, permet moure's. els dominis de la bombolla d'una "illa" magnètica a una altra, com es mostra a la figura. Després d'un canvi de quatre vegades en la direcció del camp magnètic, el domini es mourà d'una illa a una altra.
Tot això ens permet considerar el dispositiu CMD com un registre de desplaçament. Si formem bombolles en un extrem del registre i les detectem a l'altre, llavors podem bufar un determinat patró de bombolles al voltant i utilitzar el sistema com a dispositiu de memòria, llegint i escrivint bits en determinats moments.
A partir d'aquí se segueixen els avantatges i inconvenients de la memòria CMD: l'avantatge és la independència energètica (sempre que s'apliqui un camp perpendicular creat per imants permanents, les bombolles no desapareixeran enlloc i no es mouran de les seves posicions), i el desavantatge és un llarg temps d'accés, perquè per accedir a un bit arbitrari, heu de desplaçar-vos tot el registre de desplaçament fins a la posició desitjada, i com més llarg sigui, més cicles requerirà.
El patró d'elements magnètics a la pel·lícula magnètica CMD.
La creació d'un domini magnètic s'anomena en anglès "nucleació", i consisteix en el fet que s'aplica un corrent de diversos centenars de mil·liampères al bobinatge durant un temps d'uns 100 ns, i es crea un camp magnètic que és perpendicular al pel·lícula i oposada al camp d'un imant permanent. Això crea una "bombolla" magnètica: un domini magnètic cilíndric a la pel·lícula. El procés, malauradament, depèn molt de la temperatura, és possible que una operació d'escriptura falli sense que es formi una bombolla o que es formin diverses bombolles.
S'utilitzen diverses tècniques per llegir dades d'una pel·lícula.
Una manera, lectura no destructiva, és detectar el camp magnètic feble del domini cilíndric mitjançant un sensor magnetoresistiu.
La segona via és la lectura destructiva. La bombolla es dirigeix a una pista especial de generació/detecció, on la bombolla es destrueix per la magnetització cap endavant del material. Si el material estigués magnetitzat inversament, és a dir, hi havia una bombolla, això provocaria més corrent a la bobina i això seria detectat pel circuit electrònic. Després d'això, la bombolla s'ha de tornar a generar en una pista de gravació especial.
Tanmateix, si la memòria s'organitza com una matriu contigua, tindrà dos grans inconvenients. En primer lloc, el temps d'accés serà molt llarg. En segon lloc, un únic defecte a la cadena portarà a la completa inoperabilitat de tot el dispositiu. Per tant, fan una memòria organitzada en forma d'una pista principal, i moltes pistes subordinades, com es mostra a la figura.
Memòria de bombolles amb una pista contínua
Memòria de bombolles amb pistes mestre/esclau
Aquesta configuració de memòria no només permet reduir molt el temps d'accés, sinó que també permet la producció de dispositius de memòria que contenen un cert nombre de pistes defectuoses. El controlador de memòria ha de tenir-los en compte i evitar-los durant les operacions de lectura/escriptura.
La figura següent mostra una secció transversal d'un "xip" de memòria de bombolles.
També podeu llegir sobre el principi de la memòria de bombolles a [4, 5].
3 Intel 7110
Intel 7110 - mòdul de memòria de bombolles, MBM (memoria de bombolles magnètiques) amb una capacitat d'1 MB (1048576 bits). És ell qui està representat al KDPV. 1 megabit és la capacitat per emmagatzemar dades d'usuari, tenint en compte les pistes redundants, la capacitat total és de 1310720 bits. El dispositiu conté 320 pistes en bucle (bucles) amb una capacitat de 4096 bits cadascuna, però només 256 d'elles s'utilitzen per a dades d'usuari, la resta és una reserva per substituir pistes "trencades" i per emmagatzemar el codi redundant de correcció d'errors. El dispositiu té una arquitectura de bucle menor de pista principal. La informació sobre les pistes actives es troba en una pista d'arrencada independent (bucle d'arrencada). Al KDPV, podeu veure el codi hexadecimal imprès just al mòdul. Aquest és el mapa de pistes "trencades", 80 dígits hexadecimals representen 320 pistes de dades, les actives es representen amb un sol bit, les inactives amb zero.
Podeu llegir la documentació original del mòdul a [7].
El dispositiu té una caixa amb una disposició de doble fila de pins i es munta sense soldar (en un endoll).
L'estructura del mòdul es mostra a la figura:
La matriu de memòria es divideix en dues "mitges seccions" (mitges seccions), cadascuna de les quals està dividida en dos "quarts" (quads), cada quart té 80 pistes esclaves. El mòdul conté una placa amb material magnètic situada dins de dos bobinatges ortogonals que creen un camp magnètic giratori. Per fer-ho, s'apliquen als bobinatges senyals de corrent de forma triangular, desplaçats 90 graus entre si. El conjunt de la placa i els bobinatges es col·loca entre els imants permanents i es col·loca en un escut magnètic que tanca el flux magnètic generat pels imants permanents i protegeix el dispositiu dels camps magnètics externs. La placa es col·loca en un pendent de 2,5 graus, la qual cosa crea un petit camp de desplaçament al llarg del pendent. Aquest camp és insignificant en comparació amb el camp de les bobines, i no interfereix amb el moviment de les bombolles durant el funcionament del dispositiu, però desplaça les bombolles a posicions fixes en relació amb els elements de permalloy quan el dispositiu està apagat. El fort component perpendicular dels imants permanents admet l'existència de dominis magnètics de bombolles.
El mòdul conté els nodes següents:
- Pistes de memòria. Directament aquelles pistes d'elements de permalloy que subjecten i guien les bombolles.
- generador de replicació. Serveix per a la replicació de la bombolla, que està constantment present al lloc de generació.
- Seguiment d'entrada i nodes d'intercanvi. Les bombolles generades es mouen al llarg de la pista d'entrada. Les bombolles es mouen a una de les 80 pistes d'esclaus.
- Pista de sortida i node de replicació. Les bombolles es resten de les pistes de dades sense destruir-les. La bombolla es divideix en dues parts i una d'elles va a la pista de sortida.
- Detector. Les bombolles de la pista de sortida entren al detector magnetoresistiu.
- Carregant pista. La pista d'arrencada conté informació sobre pistes de dades actives i inactives.
A continuació veurem aquests nodes amb més detall. També podeu llegir la descripció d'aquests nodes a [6].
generació de bombolles
Per generar una bombolla, al principi de la pista d'entrada hi ha un conductor doblegat en forma de petit bucle. Se li aplica un pols de corrent, que crea un camp magnètic en una àrea molt petita més fort que el camp dels imants permanents. L'impuls crea una bombolla en aquest punt, que roman permanentment mantinguda per un camp magnètic constant i circula per l'element permallei sota la influència d'un camp magnètic giratori. Si hem d'escriure una unitat a la memòria, apliquem un pols curt al bucle conductor i, com a resultat, neixen dues bombolles (indicades com a llavor dividida de bombolles a la figura). Una de les bombolles és precipitada pel camp giratori al llarg de la pista de permalloy, la segona es manté al seu lloc i adquireix ràpidament la seva mida original. A continuació, es mou a una de les pistes d'esclaus i canvia de lloc amb la bombolla que hi circula. Al seu torn, arriba al final de la pista d'entrada i desapareix.
intercanvi de bombolles
L'intercanvi de bombolles es produeix quan s'aplica un pols de corrent rectangular al conductor corresponent. En aquest cas, la bombolla no es divideix en dues parts.
Lectura de dades
Les dades s'envien a la pista de sortida per rèplica i segueixen circulant per la seva pista després de ser llegidas. Així, aquest dispositiu implementa un mètode de lectura no destructiu. Per replicar-se, la bombolla es dirigeix sota un element permalloy allargat, sota el qual s'estira. A sobre també hi ha un conductor en forma de bucle, si s'aplica un pols de corrent al bucle, la bombolla es dividirà en dues parts. El pols de corrent consta d'una secció curta amb un corrent elevat per dividir la bombolla en dues parts i una secció més llarga amb menys corrent per dirigir la bombolla a la pista de sortida.
Al final de la pista de sortida hi ha el detector de bombolles, un pont magnetoresistiu fet d'elements d'aliatge permanent que formen un circuit llarg. Quan una bombolla magnètica cau sota un element de permalloy, la seva resistència canvia i apareix una diferència de potencial de diversos mil·livolts a la sortida del pont. La forma dels elements de permalloy s'escull perquè la bombolla es mogui al llarg d'ells, al final xoca amb un pneumàtic especial de "guarda" i desapareix.
Redundància
El dispositiu conté 320 pistes, cadascuna amb 4096 bits. D'aquests, 272 estan actius, 48 són de recanvi, inactius.
Pista d'arrencada (Boot Loop)
El dispositiu conté 320 pistes de dades, de les quals 256 estan destinades a emmagatzemar dades de l'usuari, la resta poden ser defectuoses o poden servir com a recanvis per substituir les defectuoses. Una pista addicional conté informació sobre l'ús de pistes de dades, 12 bits per pista. Quan el sistema està engegat, s'ha d'inicialitzar. Durant el procés d'inicialització, el controlador ha de llegir la pista d'arrencada i escriure'n informació en un registre especial del xip de format / sensor actual. Aleshores, el controlador només utilitzarà pistes actives, i les inactives s'ignoraran i no s'escriuran.
Data Warehouse - Estructura
Des del punt de vista de l'usuari, les dades s'emmagatzemen en 2048 pàgines de 512 bits cadascuna. S'emmagatzemen 256 bytes de dades, 14 bits de codi de correcció d'errors i 2 bits no utilitzats a cada meitat del dispositiu.
Correcció d'errors
La detecció i correcció d'errors es pot realitzar mitjançant un xip de sensor actual, que conté un descodificador de codi de 14 bits que corregeix un únic error de fins a 5 bits de longitud (error de ràfega) en cada bloc de 270 bits (incloent el codi en si). El codi s'adjunta al final de cada bloc de 256 bits. El codi de correcció es pot utilitzar o no, a petició de l'usuari, la verificació del codi es pot activar o desactivar al controlador. Si no s'utilitza cap codi, es poden utilitzar els 270 bits per a les dades d'usuari.
Temps d'accés
El camp magnètic gira a una freqüència de 50 kHz. El temps mitjà d'accés al primer bit de la primera pàgina és de 41 ms, que és la meitat del temps que triga a completar un cicle complet per la pista més el temps que triga a passar per la pista de sortida.
Les 320 pistes actives i de recanvi es divideixen en quatre parts de 80 pistes cadascuna. Aquesta organització redueix el temps d'accés. Els quarts s'adrecen per parelles: cada parell de quarts conté bits parells i senars de la paraula, respectivament. El dispositiu conté quatre pistes d'entrada amb quatre bombolles inicials i quatre pistes de sortida. Les pistes de sortida utilitzen dos detectors, s'organitzen de manera que dues bombolles de dues pistes mai arriben a un detector alhora. Així, els quatre fluxos de bombolles es multiplexen i es converteixen en fluxos de dos bits i s'emmagatzemen als registres del xip del sensor actual. Allà, el contingut dels registres es torna a multiplexar i s'envia al controlador mitjançant la interfície sèrie.
A la segona part de l'article, veurem més de prop els circuits del controlador de memòria de bombolles.
4. Referències
L'autor va trobar als racons més foscos de la xarxa i us va guardar molta informació tècnica útil sobre la memòria del CMD, la seva història i altres aspectes relacionats:
1. — Dos records de l'enginyer Bobek
2. - Dos records de l'enginyer Bobek (part 2)
3. - Memòria de bombolles
4. Adaptació de la memòria de bombolles magnètiques en un entorn de microordinador estàndard
5. — Memòria de bombolles TIB 0203 de Texas Instruments
6. — Manual de components de memòria. Intel 1983.
7. 7110 Memòria Bubble d'1 megabit
Font: www.habr.com