Foto fra forfatterens samling
1. Historie
Bubble memory, eller cylindrisk magnetisk domænehukommelse, er en ikke-flygtig hukommelse udviklet på Bell Labs i 1967 af Andrew Bobeck. Undersøgelser har vist, at små cylindriske magnetiske domæner dannes i tynde enkeltkrystalfilm af ferriter og granater, når et tilstrækkeligt stærkt magnetfelt er rettet vinkelret på filmens overflade. Ved at ændre magnetfeltet kan disse bobler flyttes. Sådanne egenskaber gør magnetiske bobler ideelle til at bygge et sekventielt bitlager, som et skifteregister, hvor tilstedeværelsen eller fraværet af en boble i en bestemt position indikerer en nul- eller en bitværdi. Boblen er tiendedele af en mikron i diameter, og en enkelt chip kan gemme tusindvis af bits af data. Så for eksempel introducerede Texas Instruments i foråret 1977 først en chip med en kapacitet på 92304 bit på markedet. Denne hukommelse er ikke-flygtig, hvilket gør den ligner magnetbånd eller disk, men fordi den er solid-state og ikke indeholder bevægelige dele, er den mere pålidelig end tape eller disk, kræver ingen vedligeholdelse og er meget mindre og lettere. , og kan bruges i bærbare enheder.
I første omgang foreslog opfinderen af boblehukommelsen, Andrew Bobek, en "endimensionel" version af hukommelsen, i form af en tråd, som en tynd strimmel af ferromagnetisk materiale er viklet rundt om. Sådan en hukommelse blev kaldt "twistor"-hukommelse og blev endda masseproduceret, men blev hurtigt afløst af den "todimensionelle" version.
Du kan læse om historien om skabelsen af boblehukommelse i [1-3].
2. Driftsprincip
Her beder jeg dig om at tilgive mig, jeg er ikke fysiker, så præsentationen vil være meget omtrentlig.
Nogle materialer (såsom gadolinium gallium granat) har den egenskab, at de kun er magnetiseret i én retning, og hvis der påføres et konstant magnetfelt langs denne akse, vil de magnetiserede områder danne noget som bobler, som vist i figuren nedenfor. Hver boble er kun et par mikrometer i diameter.
Antag, at vi har en tynd, i størrelsesordenen 0,001 tomme, krystallinsk film af et sådant materiale aflejret på et ikke-magnetisk, såsom glas, substrat.
Det hele handler om de magiske bobler. Billedet til venstre - der er intet magnetfelt, billedet til højre - magnetfeltet er rettet vinkelret på filmoverfladen.
Hvis der på overfladen af en film af et sådant materiale dannes et mønster af et magnetisk materiale, for eksempel permalloy, en jern-nikkel-legering, vil boblerne blive magnetiseret til elementerne i dette mønster. Typisk anvendes mønstre i form af T-formede eller V-formede elementer.
En enkelt boble kan dannes af et magnetfelt på 100-200 oersted, som påføres vinkelret på den magnetiske film og skabes af en permanent magnet, og et roterende magnetfelt dannet af to spoler i XY-retningerne, giver dig mulighed for at bevæge dig boble-domænerne fra en magnetisk "ø" til en anden, som vist på figuren. Efter en firedobbelt ændring af magnetfeltets retning vil domænet bevæge sig fra den ene ø til den næste.
Alt dette giver os mulighed for at betragte CMD-enheden som et skifteregister. Hvis vi danner bobler i den ene ende af registret og detekterer dem i den anden, så kan vi blæse et bestemt mønster af bobler rundt og bruge systemet som en hukommelsesenhed, læse og skrive bits på bestemte tidspunkter.
Herfra følger fordelene og ulemperne ved CMD-hukommelse: fordelen er energiuafhængighed (så længe et vinkelret felt skabt af permanente magneter påføres, vil boblerne ikke forsvinde nogen steder og vil ikke bevæge sig fra deres positioner), og ulempen er en lang adgangstid, pga for at få adgang til en vilkårlig bit, skal du rulle hele skifteregisteret til den ønskede position, og jo længere det er, jo flere cyklusser vil dette kræve.
Mønsteret af magnetiske elementer på den magnetiske CMD-film.
Oprettelsen af et magnetisk domæne kaldes på engelsk "nucleation", og består i, at en strøm på flere hundrede milliampere påføres viklingen i en tid på omkring 100 ns, og der skabes et magnetfelt, der er vinkelret på film og modsat feltet af en permanent magnet. Dette skaber en magnetisk "boble" - et cylindrisk magnetisk domæne i filmen. Processen er desværre meget afhængig af temperaturen, det er muligt for en skriveoperation at mislykkes, uden at der dannes en boble, eller at der dannes flere bobler.
Der bruges flere teknikker til at læse data fra en film.
En måde, ikke-destruktiv aflæsning, er at detektere det svage magnetiske felt i det cylindriske domæne ved hjælp af en magnetoresistiv sensor.
Den anden måde er destruktiv læsning. Boblen føres til et særligt genererings-/detektionsspor, hvor boblen ødelægges ved fremadgående magnetisering af materialet. Hvis materialet var omvendt magnetiseret, dvs. der var en boble til stede, ville dette forårsage mere strøm i spolen, og dette ville blive detekteret af det elektroniske kredsløb. Derefter skal boblen genskabes på et specielt optagespor.
Men hvis hukommelsen er organiseret som et sammenhængende array, vil det have to store ulemper. For det første vil adgangstiden være meget lang. For det andet vil en enkelt defekt i kæden føre til fuldstændig ubrugelighed af hele enheden. Derfor laver de en hukommelse organiseret i form af ét hovedspor og mange underordnede spor, som vist på figuren.
Boblehukommelse med ét kontinuerligt spor
Boblehukommelse med master/slave-spor
En sådan hukommelseskonfiguration gør det ikke kun muligt i høj grad at reducere adgangstiden, men tillader også produktionen af hukommelsesenheder, der indeholder et vist antal defekte spor. Hukommelsescontrolleren skal tage hensyn til dem og omgå dem under læse-/skriveoperationer.
Figuren nedenfor viser et tværsnit af en boblehukommelses-"chip".
Du kan også læse om princippet om boblehukommelse i [4, 5].
3. Intel 7110
Intel 7110 - boblehukommelsesmodul, MBM (magnetisk boblehukommelse) med en kapacitet på 1 MB (1048576 bit). Det er ham, der er afbildet på KDPV. 1 megabit er kapaciteten til lagring af brugerdata, under hensyntagen til redundante spor, den samlede kapacitet er 1310720 bit. Enheden indeholder 320 loopede spor (loops) med en kapacitet på 4096 bit hver, men kun 256 af dem bruges til brugerdata, resten er en reserve til udskiftning af "brudte" spor og til lagring af redundant fejlkorrektionskode. Enheden har en større track-minor loop-arkitektur. Information om aktive spor er indeholdt i et separat opstartsspor (bootstrap loop). På KDPV kan du se den hexadecimale kode trykt direkte på modulet. Dette er kortet over "brudte" spor, 80 hexadecimale cifre repræsenterer 320 dataspor, aktive er repræsenteret af en enkelt bit, inaktive med nul.
Du kan læse den originale dokumentation for modulet i [7].
Enheden har et etui med et dobbeltrækket arrangement af stifter og er monteret uden lodning (i en fatning).
Strukturen af modulet er vist på figuren:
Hukommelsesarrayet er opdelt i to "halvsektioner" (halvsektioner), som hver er opdelt i to "kvartaler" (quads), hver fjerdedel har 80 slavespor. Modulet indeholder en plade med magnetisk materiale placeret inde i to ortogonale viklinger, der skaber et roterende magnetfelt. For at gøre dette påføres strømsignaler med en trekantet form, forskudt med 90 grader i forhold til hinanden, til viklingerne. Samlingen af pladen og viklingerne placeres mellem de permanente magneter og placeres i et magnetisk skjold, der lukker den magnetiske flux, der genereres af de permanente magneter, og skærmer enheden mod eksterne magnetfelter. Pladen placeres i 2,5 graders hældning, hvilket skaber et lille forskydningsfelt langs skråningen. Dette felt er ubetydeligt sammenlignet med spolernes felt og interfererer ikke med boblernes bevægelse under drift af indretningen, men flytter boblerne til faste positioner i forhold til permalloy-elementerne, når indretningen er slukket. Den stærke vinkelrette komponent af permanente magneter understøtter eksistensen af boblemagnetiske domæner.
Modulet indeholder følgende noder:
- Hukommelsesspor. Direkte de spor af permalloy-elementer, der holder og styrer boblerne.
- replikeringsgenerator. Tjener til replikationen af boblen, som konstant er til stede på generationsstedet.
- Input spor og udveksling noder. De genererede bobler bevæger sig langs inputsporet. Bobler flyttes til et af 80 slavespor.
- Outputspor og replikeringsnode. Bobler trækkes fra dataspor uden at ødelægge dem. Boblen deler sig i to dele, og en af dem går til output-sporet.
- Detektor. Bobler fra udgangssporet kommer ind i den magnetoresistive detektor.
- Indlæser spor. Opstartssporet indeholder information om aktive og inaktive dataspor.
Nedenfor vil vi se nærmere på disse noder. Du kan også læse beskrivelsen af disse noder i [6].
boblegenerering
For at generere en boble er der i begyndelsen af inputsporet en leder bøjet i form af en lille sløjfe. Der påføres en strømimpuls, som skaber et magnetfelt i et meget lille område, der er stærkere end feltet af permanente magneter. Impulsen skaber en boble på dette punkt, som forbliver permanent vedligeholdt af et konstant magnetfelt og cirkulerer langs permalloy-elementet under påvirkning af et roterende magnetfelt. Hvis vi skal skrive en enhed til hukommelsen, tilfører vi en kort puls til den ledende løkke, og som et resultat bliver der født to bobler (angivet som Bubble split frø i figuren). En af boblerne skyndes af det roterende felt langs permalloybanen, den anden forbliver på plads og får hurtigt sin oprindelige størrelse. Den bevæger sig derefter til et af slavesporene og bytter plads med boblen, der cirkulerer i den. Det når til gengæld slutningen af inputsporet og forsvinder.
boble udveksling
Bobleudveksling sker, når en rektangulær strømimpuls påføres den tilsvarende leder. I dette tilfælde opdeles boblen ikke i to dele.
Læser data
Dataene sendes til outputsporet ved replikering og fortsætter med at cirkulere i dets spor efter at være blevet læst. Denne enhed implementerer således en ikke-destruktiv læsningsmetode. For at replikere er boblen rettet under et aflangt permalloy-element, under hvilket det strækkes. Ovenfor er der også en leder i form af en sløjfe, hvis en strømimpuls påføres sløjfen, vil boblen blive delt i to dele. Strømimpulsen består af en kort sektion med høj strøm for at dele boblen i to og en længere sektion med lavere strøm for at lede boblen til udgangssporet.
For enden af output-sporet er Bubble Detector, en magnetoresistiv bro lavet af permalloy-elementer, der danner et langt kredsløb. Når en magnetisk boble falder under et permalloy-element, ændres dens modstand, og en potentialforskel på flere millivolt vises ved broens udgang. Formen på permalloy-elementerne er valgt, så boblen bevæger sig langs dem, i slutningen rammer den et specielt "vagt"-dæk og forsvinder.
Redundans
Enheden indeholder 320 spor, hver med 4096 bit. Af disse er 272 aktive, 48 er ledige, inaktive.
Boot track (Boot Loop)
Enheden indeholder 320 dataspor, hvoraf 256 er beregnet til lagring af brugerdata, resten kan være defekte eller kan tjene som reservedele til at erstatte defekte. Et ekstra spor indeholder information om brugen af dataspor, 12 bit pr. spor. Når systemet er tændt, skal det initialiseres. Under initialiseringsprocessen skal controlleren læse boot-sporet og skrive information fra det til et særligt register på formateringschippen/strømsensoren. Så vil controlleren kun bruge aktive spor, og inaktive vil blive ignoreret og vil ikke blive skrevet til.
Data Warehouse - Struktur
Fra brugerens synspunkt er dataene lagret i 2048 sider á 512 bit hver. 256 bytes data, 14 bits fejlkorrektionskode og 2 ubrugte bits er gemt i hver halvdel af enheden.
Fejlrettelse
Fejldetektering og korrektion kan udføres af en aktuel sensorchip, som indeholder en 14-bit kodedekoder, der retter en enkelt fejl op til 5 bit lang (burst fejl) i hver blok på 270 bit (inklusive selve koden). Koden tilføjes til slutningen af hver 256-bit blok. Korrektionskoden kan bruges eller ikke bruges, efter anmodning fra brugeren kan kodebekræftelse slås til eller fra i controlleren. Hvis der ikke bruges nogen kode, kan alle 270 bit bruges til brugerdata.
Adgangstid
Magnetfeltet roterer med en frekvens på 50 kHz. Den gennemsnitlige adgangstid til den første bit af den første side er 41 ms, hvilket er halvdelen af den tid, det tager at fuldføre en hel cyklus gennem sporet plus den tid, det tager at gå gennem outputsporet.
De 320 aktive og reservespor er opdelt i fire dele af hver 80 spor. Denne organisation reducerer adgangstiden. Kvarter adresseres i par: hvert par af kvartaler indeholder henholdsvis lige og ulige bit af ordet. Enheden indeholder fire inputspor med fire indledende bobler og fire outputspor. Udgangssporene bruger to detektorer, de er organiseret på en sådan måde, at to bobler fra to spor aldrig rammer én detektor på samme tid. De fire boblestrømme multiplekses og konverteres til to bitstrømme og lagres i registrene på den aktuelle sensorchip. Der multiplekses indholdet af registrene igen og sendes til controlleren via det serielle interface.
I den anden del af artiklen vil vi se nærmere på kredsløbet i boblehukommelsescontrolleren.
4. Referencer
Forfatteren fandt i de mørkeste hjørner af netværket og gemte en masse nyttige tekniske oplysninger om hukommelse på CMD, dens historie og andre relaterede aspekter til dig:
1. — To minder om ingeniør Bobek
2. - To minder om ingeniør Bobek (del 2)
3. — Boblehukommelse
4. Tilpasning af magnetisk boblehukommelse i et standard mikrocomputermiljø
5. - Texas Instruments TIB 0203 Bubble Memory
6. — Hukommelseskomponenthåndbog. Intel 1983.
7. 7110 1-megabit boblehukommelse
Kilde: www.habr.com