Speicher in zylindrischen magnetischen Domänen. Teil 1. Funktionsprinzip

Foto aus der Sammlung des Autors

1. Geschichte

Magnetische Blasenspeicher, oder Speicher auf zylindrischen Magnetdomen, sind nicht-flüchtige Speicher, die 1967 von Andrew Bobeck in den Bell Labs entwickelt wurden. Studien haben gezeigt, dass kleine zylindrische Magnetdome in monokristallinen Dünnschichten von Ferriten und Granaten entstehen, wenn ein starkes Magnetfeld senkrecht zur Oberfläche der Schicht gerichtet ist. Durch das Ändern des Magnetfeldes können diese Blasen bewegt werden. Diese Eigenschaften machen magnetische Blasen zu einem idealen Mittel für den Aufbau eines sequentiellen Bit-Speichers, ähnlich einem Schiebe-register, wo das Vorhandensein oder Fehlen einer Blase an einer bestimmten Position den Wert eines Bits darstellt, ob 0 oder 1. Der Durchmesser einer Blase liegt im Zehntel-Mikrometer-Bereich, ein Chip kann Tausende von Bit-Daten speichern. So stellte Texas Instruments beispielsweise im Frühling 1977 erstmals einen Chip mit einer Kapazität von 92.304 Bits auf dem Markt vor. Dieser Speicher ist nicht-flüchtig, was ihn ähnlich macht wie Magnetbänder oder -scheiben, jedoch ist er festkörperbasiert und enthält keine beweglichen Teile, was eine höhere Zuverlässigkeit im Vergleich zu Bändern oder Scheiben gewährleistet und zudem wartungsfrei ist. Außerdem hat er deutlich kleinere Dimensionen und ein geringeres Gewicht und kann in tragbaren Geräten eingesetzt werden.

Ursprünglich schlug der Erfinder des Blasenspeichers, Andrew Bobek, eine "ein-dimensionalen" Variante des Speichers vor, in Form eines Drahtes, um den ein dünner Streifen aus ferromagnetischem Material gewickelt ist. Dieser Speicher wurde als "Twistor" bezeichnet und sogar in Serienproduktion hergestellt, wurde jedoch bald von der "zweidimensionalen" Variante verdrängt.

Sie können sich die Geschichte der Entwicklung des Blasenspeichers in [1-3] ansehen.

2. Funktionsprinzip

Hier bitte ich um Verständnis, ich bin kein Physiker, daher wird die Darstellung sehr grob ausfallen.

Einige Materialien (z. B. Gadolinium-Gallium-Granat) haben die Eigenschaft, sich nur in eine Richtung magnetisieren zu lassen. Wenn entlang dieser Achse ein konstantes Magnetfeld angelegt wird, bilden die magnetisierten Bereiche etwas, das wie Blasen aussieht, wie in der untenstehenden Abbildung dargestellt. Jede Blase hat einen Durchmesser von nur wenigen Mikrometern.

Angenommen, wir haben einen dünnen, etwa 0,001 Zoll dicken, kristallinen Film aus einem solchen Material, der auf ein nicht-magnetisches Substrat, wie z. B. Glas, aufgebracht ist.

Es dreht sich alles um magische Blasen. Das Bild links zeigt ein nicht vorhandenes Magnetfeld, das Bild rechts zeigt ein Magnetfeld, das senkrecht zur Oberfläche der Folie ausgerichtet ist.

Wenn auf der Oberfläche einer Folie aus einem solchen Material ein Muster aus magnetischem Material, zum Beispiel Permalloy oder Eisen-Nickel-Legierung, gebildet wird, werden die Blasen an die Elemente dieses Musters angezogen. Normalerweise werden Muster in Form von T- oder V-förmigen Elementen verwendet.

Eine einzelne Blase kann durch ein Magnetfeld von 100-200 Ersted gebildet werden, das senkrecht zur magnetischen Folie angelegt wird und durch einen Permanentmagnet erzeugt wird. Ein rotierendes Magnetfeld, das durch zwei Spulen in den Richtungen XY erzeugt wird, ermöglicht es, Blasen-Domänen von einer magnetischen „Insel“ zur anderen zu bewegen, wie im Bild gezeigt. Nach viermaligem Wechsel der Richtung des Magnetfelds bewegt sich das Domänen von einer Insel zur benachbarten.

All dies ermöglicht es, das CMD-Gerät als Schieberegister zu betrachten. Wenn wir Blasen an einem Ende des Registers bilden und sie am anderen Ende detektieren, können wir ein bestimmtes Muster von Blasen im Kreis führen und das System als Speichereinheit nutzen, indem wir Bits zu bestimmten Zeitpunkten lesen und schreiben.

Hieraus ergeben sich die Vor- und Nachteile von CMD-Speichern: Der Vorteil liegt in der Energieunabhängigkeit (solange ein senkrechtes Feld erzeugt wird, bleiben die Blasen an Ort und Stelle und verschwinden nicht), während der Nachteil die lange Zugriffszeit ist, da zur Erreichung eines beliebigen Bits das gesamte Schieberegister an die richtige Position gedreht werden muss. Je länger es ist, desto mehr Zyklen sind dafür erforderlich.

Muster magnetischer Elemente auf der magnetischen Folie von CMD.

Die Erzeugung eines magnetischen Domain wird im Englischen als 'Nucleation' bezeichnet und besteht darin, dass ein Strom von mehreren Hundert Milliampere für etwa 100 ns an die Spule angelegt wird. Dadurch entsteht ein magnetisches Feld, das senkrecht zur Folie und entgegengesetzt zum Feld eines Permanentmagneten wirkt. So bildet sich eine magnetische 'Blase' - eine zylindrische magnetische Domäne in der Folie. Leider hängt dieser Prozess stark von der Temperatur ab, was zu einem fehlerhaften Abschluss des Schreibvorgangs führen kann, bei dem die Blase nicht gebildet wird oder mehrere Blasen entstehen.

Zum Lesen der Daten von der Folie werden verschiedene Techniken verwendet.

Eine Methode, das berührungslos Lesen, besteht darin, das schwache magnetische Feld der zylindrischen Domäne mit einem magnetoresistiven Sensor zu detektieren.

Der zweite Ansatz ist das destruktive Lesen. Die Blase wird auf einen speziellen Generierungs-/Detektionspfad geleitet, auf dem die Blase durch das Magnetisieren des Materials in die richtige Richtung zerstört wird. Wenn das Material in die entgegengesetzte Richtung magnetisiert wurde, also die Blase vorhanden ist, wird dies einen höheren Strom in der Spule verursachen, der von der elektronischen Schaltung erkannt wird. Danach muss die Blase erneut auf einem speziellen Schreibpfad erzeugt werden.


Wenn der Speicher jedoch als ein zusammenhängendes Array organisiert ist, hat er zwei große Nachteile. Erstens wird die Zugriffszeit sehr hoch sein. Zweitens führt ein einzelner Fehler in der Kette zur kompletten Funktionsunfähigkeit des gesamten Geräts. Daher wird ein Speicher mit einem Hauptpfad und zahlreichen untergeordneten Pfaden erstellt, wie in der Abbildung dargestellt.

Blasenspeicher mit einem kontinuierlichen Pfad

Blasenspeicher mit Haupt-/untergeordneten Pfaden

Diese Speicherkonfiguration reduziert nicht nur die Zugriffszeit erheblich, sondern ermöglicht auch die Herstellung von Speichereinheiten, die eine bestimmte Anzahl defekter Spuren enthalten. Der Speichercontroller muss diese berücksichtigen und bei Lese-/Schreibvorgängen umgehen.

Im folgenden Bild sehen Sie einen Querschnitt des 'Chips' für Bubble-Speicher.

Sie können auch über das Funktionsprinzip des Bubble-Speichers in [4, 5] lesen.

3. Intel 7110

Intel 7110 – Modul mit magnetischer Speicherblase (MBM) mit einer Kapazität von 1 MB (1048576 Bit). Dies ist das Modell, das auf der KDPV abgebildet ist. 1 Megabit entspricht dem Speicherplatz für Benutzerdaten; unter Berücksichtigung der redundanten Spuren beträgt die Gesamtkapazität 1310720 Bit. Das Gerät enthält 320 Schleifenbahnen (Loops) mit jeweils 4096 Bit, von denen jedoch nur 256 für Benutzerdaten verwendet werden. Der Rest dient als Reserve zum Ersetzen "defekter" Bahnen und zur Speicherung von überflüssigem Fehlerkorrekturcode. Das Gerät hat eine Architektur der "Hauptbahn-nebenan liegende Bahnen" (major track-minor loop). Informationen über aktive Bahnen sind in einer separaten Bootbahn (Bootstrap-Loop) enthalten. Auf der KDPV können Sie den hexadezimalen Code sehen, der direkt auf dem Modul gedruckt ist. Dies ist die Karte der "defekten" Bahnen, 80 hexadezimale Ziffern repräsentieren 320 Datenbahnen, aktive werden durch eine Eins angezeigt, inaktive durch eine Null.

Sie können die Originaldokumentation zum Modul in [7] einsehen.

Das Gerät hat ein Gehäuse mit zwe Reihen von Anschluss-Pins und wird ohne Löten (in einen Sockel) montiert.

Die Struktur des Moduls ist in der Abbildung dargestellt:

Der Speicherblock wird in zwei "Hälften" (half sections) unterteilt, von denen jede in zwei "Viertel" (quads) geteilt ist. Jedes Viertel verfügt über 80 untergeordnete Spuren. Der Modul enthält eine Platte aus magnetischem Material, die sich zwischen zwei orthogonalen Wicklungen befindet, die ein rotierendes Magnetfeld erzeugen. Hierfür werden an die Wicklungen dreieckige Stromsignale mit einem um 90 Grad versetzten Signalwinkel angelegt. Die Baugruppe aus Platte und Wicklungen wird zwischen Permanentmagneten platziert und in einem magnetischen Schild untergebracht, das den von den Permanentmagneten erzeugten Magnetfluss schließt und das Gerät vor externen Magnetfeldern abschirmt. Die Platte ist in einem Winkel von 2,5 Grad positioniert, was ein geringfügiges Ablenkungsfeld erzeugt, das entlang des Neigungswinkels verläuft. Dieses Feld ist im Vergleich zu dem der Wicklungen vernachlässigbar und stört nicht die Bewegung der Bläschen während des Betriebs des Geräts, lenkt jedoch die Bläschen in feste Positionen in Bezug auf die Permalloy-Elemente, wenn das Gerät ausgeschaltet ist. Die starke senkrechte Komponente der Permanentmagneten unterstützt das Bestehen von blasenmagnetischen Domänen.

Das Modul enthält folgende Knoten:

1. Speicherbahnen. Das sind die Bahnen aus Permalloy-Elementen, die die Blasen halten und lenken.
2. Replikator. Dient der Replikation der Blase, die ständig im Generierungsbereich vorhanden ist.
3. Eingangsbahn und Austauschknoten. Die generierten Blasen bewegen sich entlang der Eingangsbahn. Die Blasen bewegen sich in eine der 80 untergeordneten Bahnen.
4. Ausgangsbahn und Replikationsknoten. Blasen werden aus den Datenbahnen gelesen, ohne sie zu zerstören. Die Blase wird in zwei Teile geteilt, und einer von ihnen wird in die Ausgangsbahn geleitet.
5. Detektor. Blasen aus der Ausgangsbahn gelangen in den magnetoresistiven Detektor.
6. Ladevorgangsbahn. Die Ladevorgangsbahn enthält Informationen über aktive und inaktive Datenbahnen.

Im Folgenden werden wir diese Knoten genauer betrachten. Sie können sich auch die Beschreibung dieser Knoten in [6] ansehen.

Blasengenerierung

Um eine Blase zu erzeugen, gibt es am Anfang des Eingangsbereichs einen Leiter, der in Form einer kleinen Schleife gebogen ist. Ein Stromimpuls wird in ihn eingespeist, wodurch in einem sehr kleinen Bereich ein Magnetfeld erzeugt wird, das stärker ist als das von Permanentmagneten. Der Impuls erzeugt an dieser Stelle eine Blase, die dauerhaft bleibt, unterstützt durch ein konstantes Magnetfeld, und entlang des Permalloy-Elements zirkuliert, angetrieben von einem rotierenden Magnetfeld. Wenn wir eine Eins im Speicher schreiben möchten, senden wir einen kurzen Impuls in die leitende Schleife, und es entstehen zwei Blasen (auf dem Bild als Bubble split seed bezeichnet). Eine der Blasen bewegt sich durch das rotierende Feld entlang des Permalloy-Tracks, während die andere an Ort und Stelle bleibt und schnell ihre ursprüngliche Größe annimmt. Dann bewegt sie sich zu einem der Untertracks und tauscht ihren Platz mit der Blase, die darin zirkuliert. Diese erreicht ihrerseits das Ende des Eingangsbereichs und verschwindet.

Blasenwechsel

Der Austausch von Blasen erfolgt, wenn ein rechteckiger Stromimpuls an den entsprechenden Leiter angelegt wird. Dabei wird die Blase nicht in zwei Teile geteilt.

Daten lesen

Die Daten werden durch ihre Replikation auf den Ausgangsweg geleitet und zirkulieren weiterhin in ihrem Weg, nachdem sie gelesen wurden. Somit wird in diesem Gerät ein zerstörungsfreies Leseverfahren umgesetzt. Für die Replikation wird die Blase unter ein längliches Element aus Permalloy geleitet, unter dem sie sich dehnt. Oben befindet sich ebenfalls ein Leiter in Form einer Schleife; wird ein Stromimpuls in die Schleife eingespeist, teilt sich die Blase in zwei Teile. Der Stromimpuls besteht aus einem kurzen Abschnitt mit hoher Stromstärke, um die Blase zu teilen, und einem längeren Abschnitt mit geringerer Stromstärke, um die Blase in den Ausgangsweg zu lenken.

Am Ende des Spurns befindet sich ein Blasendetektor: eine magnetoresistive Brücke, die aus Permalloy-Elementen besteht und eine lange Kette bildet. Wenn die magnetische Blase unter ein Permalloy-Element gelangt, ändert sich dessen Widerstand, und an den Ausgängen der Brücke entsteht eine Spannung von einigen Millivolt. Die Form der Permalloy-Elemente ist so gestaltet, dass die Blase sich entlang dieser bewegt und am Ende auf eine spezielle ‚Schutz‘-Leiste gelangt und dort verschwindet.

Redundanz

Das Gerät enthält 320 Spuren, jede mit 4096 Bit. Darunter sind 272 aktiv und 48 inaktiv als Reserve.

Boot-Track (Boot-Loop)

Das Gerät enthält 320 Datenspuren, von denen 256 für die Speicherung von Benutzerdaten vorgesehen sind. Die übrigen können defekt sein oder als Ersatz für defekte Spuren dienen. Eine zusätzliche Spur enthält Informationen über die Nutzung der Datenspuren, jeweils 12 Bit pro Spur. Wenn das System mit Strom versorgt wird, muss es initialisiert werden. Während der Initialisierung muss der Controller die Bootspur lesen und die Informationen in ein spezielles Register des Formatierungs-/Stromsensorchips schreiben. Der Controller verwendet dann nur aktive Spuren, während inaktive ignoriert werden und keine Schreibvorgänge stattfinden.

Datenspeicher — Struktur

Aus Sicht des Benutzers werden die Daten in 2048 Seiten zu je 512 Bit gespeichert. In jeder Hälfte des Geräts werden 256 Byte Daten, 14 Bit Fehlerkorrekturcode und 2 ungenutzte Bits gespeichert.

Fehlerkorrektur

Die Erkennung und Korrektur von Fehlern kann durch den Stromsensormikrochip erfolgen, der einen 14-Bit-Code-Decoder enthält, der eine Einzelbitfehlerkorrektur für Burstfehler von bis zu 5 Bits in jedem Block von 270 Bits (einschließlich des Codes selbst) ermöglicht. Der Code wird am Ende jedes 256-Bit-Blocks angefügt. Der Korrekturcode kann nach Wunsch des Benutzers verwendet oder nicht verwendet werden, die Codeüberprüfung kann im Controller aktiviert oder deaktiviert werden. Wenn der Code nicht verwendet wird, können alle 270 Bits für Benutzerdaten verwendet werden.

Zugriffszeit

Das Magnetfeld rotiert mit einer Frequenz von 50 kHz. Die durchschnittliche Zugriffszeit auf das erste Bit der ersten Seite beträgt 41 ms, was der halben Zeit entspricht, die für einen vollständigen Zyklus entlang der Spur benötigt wird, zuzüglich der Zeit für das Verlassen der Spur.

320 aktive und Reserve-Tracks sind in vier Teile zu je 80 Tracks unterteilt. Diese Organisation verkürzt die Zugriffszeit. Die Viertel werden paarweise adressiert: jedes Paar von Vierteln enthält die geraden und ungeraden Bits des Wortes. Das Gerät verfügt über vier Eingangs-Tracks mit vier anfänglichen Blasen und vier Ausgangs-Tracks. Die Ausgangs-Tracks verwenden zwei Detektoren, die so organisiert sind, dass in einen Detektor niemals zwei Blasen aus zwei Tracks gleichzeitig gelangen. Auf diese Weise werden vier Ströme von Blasen multiplexiert und in zwei Bitströme umgewandelt und in den Registern des Stromsensorchips gespeichert. Dort wird der Inhalt der Register erneut multiplexiert und gelangt über die serielle Schnittstelle zum Controller.

Im zweiten Teil des Artikels werden wir die Schaltungstechnik des Speicherbubble-Controllers genauer betrachten.

4. Literaturverzeichnis

Der Autor hat in den tiefsten Ecken des Internets nach nützlichen technischen Informationen über CMD-Speicher, dessen Geschichte und andere verwandte Aspekte gesucht und diese für Sie zusammengestellt:

1. https://old.computerra.ru/vision/621983/ — Zwei Speicher von Ingenieur Bobek
2. https://old.computerra.ru/vision/622225/ — Zwei Speicher von Ingenieur Bobek (Teil 2)
3. http://www.wikiwand.com/en/Bubble_memory — Bubble-Speicher
4. https://cloud.mail.ru/public/3qNi/33LMQg8Fn Anpassung des Magnetblasen-Speichers in einer Standard-Mikrocomputer-Umgebung
5. https://cloud.mail.ru/public/4YgN/ujdGWtAXf — Texas Instruments TIB 0203 Blasenspeicher
6. https://cloud.mail.ru/public/4PRV/5qC4vyjLa — Handbuch für Speicherbausteine. Intel 1983.
7. https://cloud.mail.ru/public/4Mjv/41Xrp4Rii 7110 1-Megabit Blasenspeicher

Quelle: habr.com