Foto fra forfatterens samling
1. Historie
Bubble memory, eller hukommelse baseret på cylindriske magnetiske domæner, er en energ uafhængig hukommelse udviklet af Bell Labs i 1967 af Andrew Bobeck. Forskning har vist, at små cylindriske magnetiske domæner dannes i monokrystaller af ferritter og granater, når et tilstrækkeligt stærkt magnetfelt rettes vinkelret på overfladen af filmen. Ved at ændre det magnetiske felt kan disse bobler flyttes. Sådanne egenskaber gør magnetbobler til et ideelt middel til at opbygge sekventiel bitlagring, ligesom et skifteregister, hvor tilstedeværelsen eller fraværet af en boble i en bestemt position betyder nul eller et værdibyt. Diameteren af boblen er tidedele af mikron, en chip kan gemme tusindvis af bits data. For eksempel præsenterede Texas Instruments i foråret 1977 den første chip med en kapacitet på 92304 bits på markedet. Denne hukommelse er energ uafhængig, hvilket gør den lignende en magnetisk tape eller disk, men da den er solid-state og ikke indeholder bevægelige dele, har den større pålidelighed end tape eller disk og kræver ikke vedligeholdelse, og den har også meget mindre størrelse og vægt og kan bruges i bærbare enheder.
Oprindeligt foreslog opfinderen af bubble memory, Andrew Bobeck, en "en-dimensionel" variant af hukommelsen, i form af en tråd, hvorpå der er viklet en tynd stribe af ferromagnetisk materiale. Denne hukommelse blev kaldt "twistor", og blev endda produceret i serie, men blev hurtigt udkonkurreret af "to-dimensionel" variant.
Du kan se historien om skabelsen af bubble memory i [1-3].
2. Virkningsprincip
Her beder jeg dig om undskyldning, jeg er ikke fysiker, så beskrivelsen vil være meget omtrentlig.
Nogle materialer (for eksempel gadolinium-gallium granat) har den egenskab, at de kun kan magnetiseres i én retning, og hvis der påførers et konstant magnetfelt langs denne akse, vil de magnetiserede områder danne noget, der ligner bobler, som vist på billedet nedenfor. Hver boble har kun nogle få mikron i diameter.
Lad os antage, at vi har en tynd, cirka 0,001 tomme, krystallinsk film lavet af et sådant materiale, der er påført en ikke-magnetisk, for eksempel glas, underlag.
Det hele handler om magiske bobler. Billedet til venstre — magnetfeltet er fraværende, billedet til højre — magnetfeltet er rettet vinkelret på overfladen af filmen.
Hvis der dannes et mønster af magnetisk materiale, for eksempel permalloy, jern-nickel legering, på overfladen af filmen af et sådant materiale, vil boblerne blive tiltrukket til elementerne i dette mønster. Mønstre i form af T-formede eller V-formede elementer anvendes typisk.
En enkelt boble kan dannes af et magnetfelt på 100-200 ersted, som er anvendt vinkelret på den magnetiske film og skabes af en permanent magnet, og et roterende magnetfelt, der er dannet af to spoler i XY-retningerne, gør det muligt at flytte boble-domænerne fra en magnetisk 'ø' til en anden, som vist på billedet. Efter fire skift af retningen af det magnetiske felt flytter domænet sig fra en ø til en naboø.
Alt dette gør det muligt at betragte CMD-enheden som en skiftregister. Hvis vi danner bobler i den ene ende af registret og registrerer dem i den anden, kan vi lade et bestemt mønster af bobler bevæge sig i en cirkel og bruge systemet som et hukommelseslagermedie ved at læse og skrive bits på bestemte tidspunkter.
Deraf følger fordelene og ulemperne ved hukommelse baseret på CMD: Fordelen er energiuafhængighed (så længe der er anvendt et vinkelret felt, skabt af permanente magneter, vil boblerne ikke forsvinde eller flytte sig fra deres positioner), mens ulempe er den lange adgangstid, da hele skiftregistret skal drejes til den ønskede position for at få adgang til en vilkårlig bit, og jo længere det er, desto flere cyklusser kræves der til dette.
Mønstret af magnetiske elementer på CMD-magnetfilmen.
Oprettelsen af et magnetisk domæne kaldes på engelsk «nucleation» og indebærer, at der påføres en strøm på flere hundrede milliampere til spolen i ca. 100 ns, hvilket skaber et magnetfelt, der er vinkelret på filmen og modsat et konstant magnets felt. Dette skaber en magnetisk «boble» — et cylindrisk magnetisk domæne i filmen. Desværre afhænger processen stærkt af temperaturen, og det er muligt, at optagelsesoperationen mislykkes, hvor boblen ikke dannes, eller at der opstår flere bobler.
Flere teknikker bruges til at læse data fra filmen.
En metode, ikke-destruktiv læsning, indebærer detektion af det svage magnetiske felt fra det cylindriske domæne ved hjælp af en magnetoresistiv sensor.
Den anden metode er destruktiv læsning. Boblen ledes til en speciel bane til generering/detektering, hvor boblen ødelægges ved at magnetisere materialet i den direkte retning. Hvis materialet blev magnetiseret i den modsatte retning, hvilket indikerer, at boblen eksisterede, vil det forårsage en højere strøm i spolen, som registreres af det elektroniske kredsløb. Herefter skal boblen genereres igen på en speciel skrivebane.
Hvis hukommelsen organiseres som et sammenhængende array, vil den have to store ulemper. For det første vil adgangstiden være meget lang. For det andet vil en enkelt defekt i kæden føre til en komplet funktionssvigt af hele enheden. Derfor skaber man hukommelse, organiseret som en hovedbane og mange underordnede baner, som vist på diagrammet.
Bublememory med én sammenhængende bane
Bublememory med hoved-/underordnede baner
Denne hukommelseskonfiguration muliggør ikke kun en betydelig reduktion af adgangstiden, men gør det også muligt at producere hukommelsesenheder, der indeholder et vist antal defekte baner. Hukommelseskontrolleren skal tage højde for dem og omgå dem under læse-/skriveoperationer.
Diagrammet nedenfor viser et tværsnit af en «chip» af bublememory.
Du kan også læse om princippet for bublememorys funktion i [4, 5].
3. Intel 7110
Intel 7110 — modul til boblememory, MBM (magnetisk boblememory) med en kapacitet på 1 MB (1048576 bit). Det er netop denne, der er afbilledet på KDPV. 1 megabit er kapaciteten til opbevaring af brugerdata; med redundante spor er den samlede kapacitet 1310720 bit. Enheden indeholder 320 sløjfeformede spor (loops) med en kapacitet på 4096 bit hver, men kun 256 af dem bruges til brugerdata, resten er reserve til at erstatte 'defekte' spor og til opbevaring af redundante fejlkorrektionkoder. Enheden har en arkitektur af 'hovedspor-underordnede spor' (major track-minor loop). Information om de aktive spor findes i et separat bootstrap-spor. På KDPV kan du se den hexadecimale kode, der er trykt direkte på modulet. Dette er kortet over 'defekte' spor; 80 hexadecimale tegn repræsenterer 320 dataspor, hvor aktive repræsenteres med en enkelt bit, og inaktive med nul.
Du kan finde den originale dokumentation til modulet på [7].
Enheden har et kabinet med to rækker af ben og installeres uden lodning (i en sokkel).
Modulstrukturen er vist på billedet:
Hukommelsesmængden opdeles i to 'halvsektioner' (half sections), hvor hver sektion er delt i to 'kvartaler' (quads); hvert kvartal har 80 underordnede spor. Modulet indeholder en plade med magnetisk materiale, som er placeret mellem to ortogonale spoler, der skaber et roterende magnetfelt. For dette påføres en trekantet strømsignal til spolerne, forskudt med 90 grader i forhold til hinanden. Samlingen af pladen og spolerne er placeret mellem permanente magneter og i et magnetisk skjold, som lukker det magnetiske felt skabt af de permanente magneter og skærmer enheden mod eksterne magnetfelter. Pladen er placeret med en hældning på 2,5 grader, hvilket skaber et lille forskydningsfelt, der er rettet langs hældningen. Dette felt er forsvindende lille sammenlignet med spolerne og hindrer ikke bevægelsen af boblerne under enhedens drift, men forskyder boblerne i faste positioner i forhold til permalloyelementerne, når enheden er slukket. Den stærke vinkelret komponent fra de permanente magneter opretholder eksistensen af boblemagnetiske domæner.
Modulet indeholder følgende enheder:
- Hukommelsesspor. Lige præcist de spor fra permalloy-elementerne, som fastholder og styrer boblerne.
- Replikationsgenerator. Tjener til at replikerer boblen, som konstant er til stede på genereringsstedet.
- Indgangspunkt og udvekslingsknudepunkter. Genererede bobler bevæger sig langs indgangspunktet. Boblerne bevæger sig ind i et af 80 undergrupperede spor.
- Udgående spor og replikationsknude. Bobler udlæses fra dataspore uden ødelæggelse. Boblen deles op i to dele, og den ene del ledes til udgangspunktet.
- Detektor. Bobler fra udgangspunktet rammer magnetoresistiv detektor.
- Indlæsningsspor. Indlæsningssporet indeholder information om aktive og inaktive dataspore.
Nedenfor vil vi se nærmere på disse knudepunkter. Du kan også finde beskrivelsen af disse knudepunkter i [6].
Generering af boblen
For at generere en boble er der i starten af indgangspunktet en leder, der er bøjet i form af en lille sløjfe. Der sendes en strømimpuls, som skaber et magnetfelt i et meget lille område stærkere end feltet fra permanente magneter. Impulsen skaber en boble på dette sted, som forbliver konstant og opretholder sig under indflydelse fra det roterende magnetfelt, hvilket cirkulerer langs permalloy-elementet. Hvis vi skal indskrive en enhed i hukommelsen, sender vi en kort impuls til den ledende sløjfe, hvilket resulterer i, at to bobler fødes (angivet som Bubble split seed på tegningen). Den ene boble bevæger sig langs det roterende felt langs permalloy-sporet, mens den anden forbliver på plads og hurtigt genvinder sin oprindelige størrelse. Derefter bevæger den sig til et af de undergruppede spor og bytter plads med boblen, der cirkulerer i det. Denne boble når til gengæld enden af indgangspunktet og forsvinder.
Bobleudveksling
Bobleudveksling finder sted, når der sendes en strømimpuls af rektangulær form til den relevante leder. Der sker ikke opdeling af boblen i to dele.
Læsning af data
Data sends to the output track via replication and continues to circulate in its track after reading. Thus, a non-destructive reading method is implemented in this device. For replication, a bubble is directed under a long element made of permalloy, stretching beneath it. Above, there's also a conductor in the form of a loop; if a current pulse is applied to the loop, the bubble will split into two parts. The current pulse consists of a short section with a high current to split the bubble into two parts, and a longer section with a lower current to direct the bubble to the output track.
At the end of the output track, there is a bubble detector, a magnetoresistive bridge made from permalloy elements forming a long chain. When a magnetic bubble enters the permalloy element, its resistance changes, and a potential difference of a few millivolts appears at the bridge's output. The shape of the permalloy elements is designed so that the bubble moves along them, and at the end, it reaches a special 'guard' bus and disappears.
Overflødighed
The device contains 320 tracks, each with 4096 bits. Of these, 272 are active, and 48 are reserved, inactive.
Boot Track
The device contains 320 data tracks, 256 of which are designated for storing user data, while the others may be defective or serve as backups for replacing the faulty ones. One additional track contains information on the usage of data tracks, 12 bits for each track. When power is supplied to the system, it must be initialized. During initialization, the controller must read the boot track and write information from it into a special register of the formatting/current sensor chip. The controller will then use only active tracks, while inactive ones will be ignored and no writing will be performed on them.
Data Storage - Structure
From the user's perspective, data is stored in 2048 pages, each containing 512 bits. 256 bytes of data, 14 bits of error correction code, and 2 unused bits are stored in each half of the device.
Error Correction
Fejldetektion og -korrektion kan udføres af en strømsensorchip, som indeholder en 14-bit kode-decoder, der kan rette enkeltfejl op til 5 bit (burst error) i hver blok på 270 bit (inklusive selve koden). Koden tilføjes til slutningen af hver 256-bit blok. Koden til korrektion kan anvendes eller ikke anvendes efter brugerens ønske, og kodekontrollen kan aktiveres eller deaktiveres i controllere. Hvis koden ikke bruges, kan de 270 bit alle bruges til brugerdata.
Adgangstid
Det magnetiske felt roterer med en frekvens på 50 kHz. Den gennemsnitlige adgangstid til den første bit i den første side er 41 ms, hvilket er halvdelen af den tid, der kræves for at gennemføre et fuldt cyklus på sporet plus tiden for at passere det udgående spor.
320 aktive og reserve spor er opdelt i fire sektioner med 80 spor i hver. Denne organisering reducerer adgangstiden. Fjerdedele adresseres to og to: hver par af fjerdedele indeholder henholdsvis lige og ulige bits i ordet. Enheden indeholder fire indgående spor med fire indledende bobler og fire udgående spor. De udgående spor bruger to detektorer, der er organiseret således, at der aldrig kommer to bobler fra to spor ind i én detektor samtidig. På denne måde multiplexeres de fire boblestrømme og omdannes til to bitstrømme og gemmes i strømmesensorchipens registre. Indholdet af registrene multiplexeres derefter igen og overføres gennem en sekventiel grænseflade til controllere.
I den anden del af artiklen vil vi se nærmere på kredsløbet i bubble memory-controlleren.
4. Litteraturliste
Forfatteren har fundet en masse nyttige tekniske oplysninger om CMD-hukommelse, dens historie og andre relaterede aspekter i de mørkeste kroge af internettet og gemt dem for dig:
1. — To hukommelser af ingeniør Bobek
2. — To hukommelser af ingeniør Bobek (del 2)
3. — Bubble memory
4. Tilpasning af Magnetic Bubble Memory i et standard mikrocomputermiljø
5. — Texas Instruments TIB 0203 Bubble Memory
6. — Memory Components Handbook. Intel 1983.
7. 7110 1-Megabit Bubble Memory
Kilde: habr.com
