Foto z autorovy sbírky
1. Historie
Bublinová paměť neboli cylindrická magnetická doménová paměť je energeticky nezávislá paměť vyvinutá v Bellových laboratořích v roce 1967 Andrewem Bobeckem. Studie ukázaly, že malé válcové magnetické domény se tvoří v monokrystalických tenkých vrstvách feritů a granátů, když dostatečně silné magnetické pole směřuje kolmo k povrchu filmu. Změnou magnetického pole lze tyto bubliny pohybovat. Díky těmto vlastnostem jsou magnetické bubliny ideální pro vytváření sekvenčního úložiště bitů, jako je posuvný registr, ve kterém přítomnost nebo nepřítomnost bubliny v určité poloze indikuje hodnotu nula nebo jednoho bitu. Bublina má v průměru desetiny mikronu a na jeden čip lze uložit tisíce bitů dat. A tak například na jaře 1977 společnost Texas Instruments poprvé uvedla na trh čip s kapacitou 92304 bitů. Tato paměť je energeticky nezávislá, díky čemuž se podobá magnetické pásce nebo disku, ale protože je polovodičová a neobsahuje žádné pohyblivé části, je spolehlivější než páska nebo disk, nevyžaduje žádnou údržbu a je mnohem menší a lehčí. a lze je použít v přenosných zařízeních.
Původně vynálezce bublinkové paměti Andrew Bobek navrhl „jednorozměrnou“ verzi paměti v podobě vlákna, kolem kterého je navinut tenký proužek feromagnetického materiálu. Taková paměť se nazývala „twistorová“ paměť a byla dokonce sériově vyráběna, ale brzy byla nahrazena „dvourozměrnou“ verzí.
O historii vzniku bublinkové paměti si můžete přečíst v [1-3].
2. Princip fungování
Zde vás prosím o odpuštění, nejsem fyzik, takže prezentace bude velmi přibližná.
Některé materiály (jako je gadolinium gallium granát) mají tu vlastnost, že jsou magnetizovány pouze v jednom směru, a pokud je podél této osy aplikováno konstantní magnetické pole, zmagnetizované oblasti vytvoří něco jako bubliny, jak je znázorněno na obrázku níže. Každá bublina má průměr jen několik mikronů.
Předpokládejme, že máme tenký, řádově 0,001 palce, krystalický film takového materiálu nanesený na nemagnetickém substrátu, jako je sklo.
Je to všechno o magických bublinách. Obrázek vlevo - není zde žádné magnetické pole, obrázek vpravo - magnetické pole směřuje kolmo k povrchu filmu.
Pokud je na povrchu filmu z takového materiálu vytvořen vzor z magnetického materiálu, například permalloy, slitiny železa a niklu, pak budou bubliny magnetizovány na prvky tohoto vzoru. Typicky se používají vzory ve formě prvků ve tvaru T nebo V.
Jedna bublina může být tvořena magnetickým polem 100-200 oerstedů, které je aplikováno kolmo na magnetický film a je vytvořeno permanentním magnetem, a rotující magnetické pole tvořené dvěma cívkami ve směrech XY, umožňuje pohyb bublinové domény z jednoho magnetického "ostrova" na druhý, jak je znázorněno na obrázku. Po čtyřnásobné změně směru magnetického pole se doména bude pohybovat z jednoho ostrova na druhý.
To vše nám umožňuje považovat zařízení CMD za posuvný registr. Pokud vytvoříme bubliny na jednom konci registru a detekujeme je na druhém, pak můžeme kolem sebe rozfoukat určitý vzor bublin a použít systém jako paměťové zařízení, číst a zapisovat bity v určitých časech.
Odtud plynou výhody a nevýhody CMD pamětí: výhodou je energetická nezávislost (dokud je aplikováno kolmé pole vytvořené permanentními magnety, bubliny nikam nezmizí a nebudou se pohybovat ze svých pozic) a nevýhodou je dlouhá přístupová doba, protože pro přístup k libovolnému bitu je třeba posouvat celý posuvný registr do požadované polohy, a čím je delší, tím více cyklů to bude vyžadovat.
Vzor magnetických prvků na magnetickém filmu CMD.
Vytvoření magnetické domény se anglicky nazývá „nucleation“ a spočívá v tom, že do vinutí je po dobu asi 100 ns přiveden proud několika stovek miliampérů a vznikne magnetické pole, které je kolmé na vinutí. filmu a naproti poli permanentního magnetu. Vznikne tak magnetická „bublina“ – válcová magnetická doména ve filmu. Proces je bohužel velmi závislý na teplotě, je možné, že operace zápisu selže, aniž by se vytvořila bublina, nebo se vytvořilo více bublin.
Ke čtení dat z filmu se používá několik technik.
Jedním ze způsobů, nedestruktivním čtením, je detekce slabého magnetického pole cylindrické domény pomocí magnetorezistivního senzoru.
Druhým způsobem je destruktivní čtení. Bublina je nasměrována na speciální generační/detekční dráhu, kde je bublina zničena dopřednou magnetizací materiálu. Pokud by byl materiál reverzně magnetizován, tj. byla přítomna bublina, způsobilo by to větší proud v cívce a to by bylo detekováno elektronickým obvodem. Poté musí být bublina znovu vygenerována na speciální záznamové stopě.
Pokud je však paměť organizována jako jedno souvislé pole, bude mít dvě velké nevýhody. Za prvé, doba přístupu bude velmi dlouhá. Za druhé, jediná závada v řetězci povede k úplné nefunkčnosti celého zařízení. Proto vytvářejí paměť organizovanou ve formě jedné hlavní stopy a mnoha vedlejších stop, jak je znázorněno na obrázku.
Bublinová paměť s jednou souvislou stopou
Bublinová paměť se stopami master/slave
Taková konfigurace paměti umožňuje nejen výrazně snížit dobu přístupu, ale také umožňuje výrobu paměťových zařízení obsahujících určitý počet vadných stop. Paměťový řadič je musí vzít v úvahu a obejít je během operací čtení/zápisu.
Obrázek níže ukazuje průřez bublinkovým paměťovým „čipem“.
O principu bublinkové paměti se také dočtete v [4, 5].
3. Intel 7110
Intel 7110 - modul bublinkové paměti, MBM (magnetic-bubble memory) s kapacitou 1 MB (1048576 bitů). Je to on, kdo je vyobrazen na KDPV. 1 megabit je kapacita pro ukládání uživatelských dat, při zohlednění redundantních stop je celková kapacita 1310720 bitů. Zařízení obsahuje 320 zacyklených stop (smyček) o kapacitě každé 4096 bitů, ale pouze 256 z nich je využito pro uživatelská data, zbytek je rezerva pro nahrazení „rozbitých“ stop a pro uložení redundantního kódu opravy chyb. Zařízení má architekturu hlavní smyčky trať-vedlejší. Informace o aktivních stopách jsou obsaženy v samostatné spouštěcí stopě (bootstrap loop). Na KDPV můžete vidět hexadecimální kód vytištěný přímo na modulu. Toto je mapa „přerušených“ stop, 80 hexadecimálních číslic představuje 320 datových stop, aktivní jsou reprezentovány jedním bitem, neaktivní nulou.
Původní dokumentaci modulu si můžete přečíst v [7].
Zařízení má pouzdro s dvouřadým uspořádáním kolíků a montuje se bez pájení (do patice).
Struktura modulu je znázorněna na obrázku:
Paměťové pole je rozděleno na dvě "poloviční sekce" (poloviční sekce), z nichž každá je rozdělena na dvě "čtvrtiny" (quads), každá čtvrtina má 80 slave stop. Modul obsahuje desku s magnetickým materiálem umístěnou uvnitř dvou ortogonálních vinutí, které vytvářejí rotující magnetické pole. K tomu se do vinutí přivádějí proudové signály trojúhelníkového tvaru, vzájemně posunuté o 90 stupňů. Sestava desky a vinutí je umístěna mezi permanentní magnety a umístěna v magnetickém stínění, které uzavírá magnetický tok generovaný permanentními magnety a stíní zařízení před vnějšími magnetickými poli. Deska je umístěna ve sklonu 2,5 stupně, což vytváří malé posunové pole podél svahu. Toto pole je zanedbatelné ve srovnání s polem cívek a neinterferuje s pohybem bublin během provozu zařízení, ale posouvá bubliny do pevných poloh vzhledem k permalloyovým prvkům, když je zařízení vypnuto. Silná kolmá složka permanentních magnetů podporuje existenci bublinových magnetických domén.
Modul obsahuje následující uzly:
- Paměťové stopy. Přímo ty stopy permalloy prvků, které drží a vedou bubliny.
- replikační generátor. Slouží k replikaci bubliny, která je neustále přítomná v místě generování.
- Vstupní traťové a výměnné uzly. Vygenerované bubliny se pohybují po vstupní dráze. Bubliny jsou přesunuty do jedné z 80 slave stop.
- Výstupní dráha a uzel replikace. Bubliny se odečítají z datových stop, aniž by je zničily. Bublina se rozdělí na dvě části a jedna z nich jde do výstupní stopy.
- Detektor. Bubliny z výstupní stopy vstupují do magnetorezistivního detektoru.
- Načítání stopy. Spouštěcí stopa obsahuje informace o aktivních a neaktivních datových stopách.
Níže se na tyto uzly podíváme podrobněji. Popis těchto uzlů si také můžete přečíst v [6].
generace bublin
Pro vytvoření bubliny je na samém začátku vstupní stopy vodič ohnutý ve formě malé smyčky. Je na něj aplikován proudový impuls, který na velmi malé ploše vytvoří magnetické pole silnější než pole permanentních magnetů. Impuls v tomto bodě vytváří bublinu, která zůstává trvale udržována konstantním magnetickým polem a cirkuluje podél permalloy prvku působením rotujícího magnetického pole. Pokud potřebujeme zapsat jednotku do paměti, aplikujeme na vodivou smyčku krátký impuls a výsledkem jsou dvě bubliny (na obrázku označeno jako Bubble split seed). Jedna z bublin je rotujícím polem hnána po permalloy dráze, druhá zůstává na svém místě a rychle získává svou původní velikost. Poté se přesune na jednu z podřízených drah a vymění si místa s bublinou, která v ní koluje. Na oplátku dosáhne konce vstupní stopy a zmizí.
výměna bublin
K výměně bublin dochází, když je na odpovídající vodič aplikován obdélníkový proudový impuls. V tomto případě se bublina nerozdělí na dvě části.
Čtení dat
Data jsou odeslána do výstupní stopy replikací a po přečtení pokračují v oběhu ve své stopě. Toto zařízení tedy implementuje nedestruktivní způsob čtení. Pro replikaci je bublina nasměrována pod podlouhlý permalloy prvek, pod kterým je natažena. Nahoře je také vodič ve formě smyčky, pokud je do smyčky přiveden proudový impuls, bublina se rozdělí na dvě části. Proudový impuls se skládá z krátké části s vysokým proudem pro rozdělení bubliny na dvě části a delší části s menším proudem pro nasměrování bubliny na výstupní dráhu.
Na konci výstupní dráhy je Bubble Detector, magnetorezistivní můstek vyrobený z permalloy prvků tvořících dlouhý obvod. Když magnetická bublina spadne pod permalloy prvek, změní se její odpor a na výstupu můstku se objeví potenciální rozdíl několika milivoltů. Tvar permalloy prvků je zvolen tak, aby se po nich bublina pohybovala, na konci narazila na speciální „ochrannou“ pneumatiku a zmizela.
Redundance
Zařízení obsahuje 320 stop, každá má 4096 bitů. Z toho je 272 aktivních, 48 náhradních, neaktivních.
Zaváděcí stopa (Boot Loop)
Zařízení obsahuje 320 datových stop, z nichž 256 je určeno pro ukládání uživatelských dat, zbytek může být vadný nebo může sloužit jako náhradní k náhradě vadných. Jedna další stopa obsahuje informace o použití datových stop, 12 bitů na stopu. Když je systém zapnutý, musí být inicializován. Během procesu inicializace musí řadič přečíst bootovací stopu a zapsat z ní informace do speciálního registru formátovacího čipu / proudového senzoru. Potom bude ovladač používat pouze aktivní stopy a neaktivní budou ignorovány a nebude se do nich zapisovat.
Datový sklad – struktura
Z uživatelského pohledu jsou data uložena na 2048 stránkách po 512 bitech. V každé polovině zařízení je uloženo 256 bajtů dat, 14 bitů kódu opravy chyb a 2 nevyužité bity.
Oprava chyb
Detekci a opravu chyb může provádět aktuální snímací čip, který obsahuje 14bitový kódový dekodér, který opravuje jednu chybu dlouhou až 5 bitů (burst error) v každém bloku 270 bitů (včetně samotného kódu). Kód je připojen na konec každého 256bitového bloku. Korekční kód lze použít nebo nepoužít, na žádost uživatele lze v ovladači zapnout nebo vypnout ověřování kódu. Pokud není použit žádný kód, lze pro uživatelská data použít všech 270 bitů.
Doba přístupu
Magnetické pole rotuje s frekvencí 50 kHz. Průměrná doba přístupu k prvnímu bitu první stránky je 41 ms, což je polovina doby potřebné k dokončení celého cyklu přes stopu plus doba, kterou zabere průchod výstupní stopou.
320 aktivních a náhradních stop je rozděleno do čtyř částí po 80 stopách. Tato organizace zkracuje dobu přístupu. Čtvrtiny jsou adresovány ve dvojicích: každá dvojice čtvrtin obsahuje sudé a liché bity slova. Zařízení obsahuje čtyři vstupní stopy se čtyřmi počátečními bublinami a čtyři výstupní stopy. Výstupní stopy využívají dva detektory, jsou organizovány tak, aby dvě bubliny ze dvou stop nikdy nezasáhly jeden detektor současně. Čtyři toky bublin jsou tedy multiplexovány a převedeny na dva bitové toky a uloženy v registrech aktuálního snímacího čipu. Tam se obsah registrů opět multiplexuje a přes sériové rozhraní posílá do regulátoru.
V druhé části článku se blíže podíváme na obvody řadiče bublinkové paměti.
4. Reference
Autor našel v nejtemnějších koutech sítě a uložil pro vás spoustu užitečných technických informací o paměti na CMD, její historii a dalších souvisejících aspektech:
1. — Dvě vzpomínky inženýra Bobka
2. - Dvě vzpomínky inženýra Bobka (část 2)
3. — Bublinová paměť
4. Adaptace magnetické bublinkové paměti ve standardním prostředí mikropočítače
5. - Bublinová paměť Texas Instruments TIB 0203
6. — Příručka paměťových komponent. Intel 1983.
7. 7110 1-Megabitová bublinková paměť
Zdroj: www.habr.com