Speicher auf zylindrischen magnetischen Domänen. Teil 1. Funktionsprinzip

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1. Geschichte

Magnetische Speicherschäume oder Speicher in zylindrischen Magnetdomänen sind nichtflüchtige Speicher, die 1967 von Andrew Bobeck in den Bell Labs entwickelt wurden. Untersuchungen haben gezeigt, dass kleine zylindrische Magnetdomänen in monokristallinen Dünnschichten von Ferriten und Granaten entstehen, wenn ein ausreichend starkes Magnetfeld senkrecht zur Oberfläche der Schicht angewendet wird. Durch Veränderung des Magnetfeldes können diese Blasen bewegt werden. Diese Eigenschaften machen magnetische Blasen zu einem idealen Medium für den Aufbau eines sequenziellen Bit-Speichers, ähnlich wie bei einem Schieberegister, wobei das Vorhandensein oder Fehlen einer Blase an einer bestimmten Position den Wert des Bits als null oder eins bedeutet. Der Durchmesser einer Blase beträgt ein Bruchteil eines Mikrons, und ein Chip kann Tausende von Bit-Daten speichern. So hat Texas Instruments beispielsweise im Frühjahr 1977 erstmals einen Chip mit einer Kapazität von 92304 Bit auf den Markt gebracht. Dieser Speicher ist nichtflüchtig, was ihn dem Magnetband oder der Festplatte ähnlich macht, aber da er festkörperbasiert ist und keine beweglichen Teile enthält, bietet er eine höhere Zuverlässigkeit als Band oder Festplatte, erfordert keine Wartung und hat zudem viel geringere Abmessungen und Gewicht, wodurch er in tragbaren Geräten eingesetzt werden kann.

Ursprünglich schlug der Erfinder des magnetischen Speichers, Andrew Bobeck, eine „eindimensionale“ Variante des Speichers in Form eines Drahts vor, auf den ein dünner Streifen aus ferromagnetischem Material gewickelt ist. Dieser Speicher wurde als „Twistor“ bezeichnet und sogar in Serie produziert, wurde jedoch bald vom „zweidimensionalen“ Modell verdrängt.

Sie können die Geschichte der Entstehung des magnetischen Speichers in [1-3] nachlesen.

2. Funktionsprinzip

Hier bitte ich um Entschuldigung, ich bin kein Physiker, daher wird die Darstellung sehr vereinfacht sein.

Einige Materialien (ganz besonders Gadolinium-Gallium-Granit) haben die Eigenschaft, sich nur in eine Richtung magnetisieren zu lassen. Wird entlang dieser Achse ein konstantes Magnetfeld angelegt, bilden sich bestimmte Bereiche, die wie Blasen erscheinen, wie in der Abbildung unten dargestellt. Jede Blase hat nur einige Mikrometer Durchmesser.

Nehmen wir an, wir haben eine dünne, etwa 0,001 Zoll dicke, kristalline Folie aus einem solchen Material, die auf einem nicht-magnetischen, zum Beispiel gläsernen, Substrat aufgebracht ist.

Alles dreht sich um die magischen Blasen. Das Bild links zeigt ein fehlendes Magnetfeld, während das Bild rechts zeigt, dass das Magnetfeld senkrecht zur Oberfläche der Folie ausgerichtet ist.

Wenn man auf der Oberfläche einer Folie aus einem solchen Material ein Muster aus magnetischem Material, wie zum Beispiel Permalloy oder einer Eisen-Nickel-Legierung, bildet, werden die Blasen zu den Elementen dieses Musters magnetisiert. Üblicherweise werden T-förmige oder V-förmige Muster verwendet.

Eine einzelne Blase kann durch ein Magnetfeld von 100-200 Oersted gebildet werden, das senkrecht zur magnetischen Folie angelegt wird und von einem Permanentmagneten erzeugt wird. Ein rotierendes Magnetfeld, das von zwei Spulen in den XY-Richtungen gebildet wird, kann die Blasen-Domänen von einer magnetischen „Insel“ zur anderen bewegen, wie auf dem Bild dargestellt. Nach viermaliger Richtungsänderung des Magnetfeldes wird das Domänenmuster von einer Insel zur benachbarten wandern.

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 laufen lassen und das System als Speichereinheit verwenden, um Bits zu bestimmten Zeitpunkten zu lesen und zu schreiben.

Daraus ergeben sich Vor- und Nachteile des CMD-Speichers: Der Vorteil ist die Energieunabhängigkeit (solange ein senkrechtes Feld, das von Permanentmagneten erzeugt wird, angelegt ist, verschwinden die Blasen nicht und bewegen sich nicht von ihren Positionen), der Nachteil ist die große Zugriffszeit, da für den Zugriff auf ein beliebiges Bit das gesamte Schieberegister bis zur gewünschten Position gedreht werden muss, und je länger es ist, desto mehr Zyklen sind dafür erforderlich.

Das Muster der magnetischen Elemente auf der magnetischen CMD-Folie.

Die Bildung eines magnetischen Domäne wird im Englischen als „nucleation“ bezeichnet und besteht darin, dass ein Strom von mehreren hundert Milliampere für eine Dauer von etwa 100ns an die Wicklung angelegt wird, wodurch ein magnetisches Feld erzeugt wird, das senkrecht zur Folie und entgegengesetzt zum Feld eines Permanentmagneten ist. Dabei entsteht eine magnetische „Blase“ – ein zylindrischer magnetischer Domäne in der Folie. Leider ist dieser Prozess stark temperaturabhängig, was zu einem misslungenen Abschluss des Schreibvorgangs führen kann, bei dem die Blase nicht gebildet wird oder mehrere Blasen entstehen.

Zum Auslesen von Daten von der Folie werden mehrere Techniken verwendet.

Eine Methode, das zerstörungsfreie Auslesen, besteht darin, das schwache magnetische Feld eines zylindrischen Domäne mithilfe eines magnetoresistiven Sensors zu detektieren.

Die zweite Methode ist das destruktive Auslesen. Die Blase wird auf einen speziellen Spur zur Erzeugung/Detektion geleitet, wo sie durch Magnetisierung des Materials in die direkte Richtung zerstört wird. Wenn das Material in die entgegengesetzte Richtung magnetisiert wurde, also die Blase vorhanden war, führt dies zu einem größeren Strom in der Spule, der von der elektronischen Schaltung detektiert wird. Danach muss die Blase erneut auf einer speziellen Schreibspur erzeugt werden.


Wenn der Speicher jedoch in Form eines einzigen kontinuierlichen Arrays organisiert wird, hat er zwei große Nachteile. Erstens wird die Zugriffszeit sehr hoch sein. Zweitens führt ein einzelner Defekt in der Kette zur vollständigen Nichtfunktionalität des gesamten Geräts. Deshalb wird der Speicher in Form einer Hauptspur und mehrerer untergeordneter Spuren organisiert, wie im Bild gezeigt.

Blasenspeicher mit einer kontinuierlichen Spur

Blasenspeicher mit Haupt-/Unterspuren

Diese Speicheranordnung ermöglicht nicht nur eine erhebliche Reduzierung der Zugriffszeit, sondern ermöglicht auch die Herstellung von Speichervorrichtungen, die eine gewisse Anzahl defekter Spuren enthalten. Der Speicherkontroller muss diese berücksichtigen und sie bei Lese-/Schreibvorgängen umgehen.

Im unteren Bild ist ein Querschnitt des „Chips“ des Blasenspeichers dargestellt.

Sie können auch über das Funktionsprinzip des Blasenspeichers in [4, 5] lesen.

3. Intel 7110

Intel 7110 — Modul für magnetische Blasenspeicher (MBM) mit einer Kapazität von 1 MB (1048576 Bit). Genau dieser wird auf dem KDPV dargestellt. 1 Megabit ist die Speicherkapazität für Benutzerdaten; unter Berücksichtigung der redundanten Spuren beträgt die Gesamtkapazität 1310720 Bit. Das Gerät enthält 320 schlaufenförmige Spuren (Loops) mit einer Kapazität von jeweils 4096 Bit, aber nur 256 von ihnen werden für Benutzerdaten verwendet; der Rest ist Reserve für den Austausch von „defekten“ Spuren und zur Speicherung von Redundanzfehlerkorrekturcode. Das Gerät hat eine Architektur „Hauptspur-nebenläufige Spuren“ (Major Track-Minor Loop). Informationen über aktive Spuren sind in einer separaten Bootspur (Bootstrap Loop) enthalten. Auf dem KDPV können Sie den hexadezimalen Code sehen, der direkt auf dem Modul gedruckt ist. Dies ist die Karte der „defekten“ Spuren; 80 hexadezimale Ziffern repräsentieren 320 Datensporen, aktive sind mit einer Eins dargestellt, nichtaktive mit einer Null.

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

Das Gerät hat ein Gehäuse mit zwei Reihen von Anschlüssen und wird ohne Löten (in einen Sockel) montiert.

Die Struktur des Moduls ist in der Abbildung dargestellt:

Das Speichermedium wird in zwei „Halbsektionen“ (Half Sections) unterteilt, die jeweils in zwei „Vielfältigkeiten“ (Quads) unterteilt sind; jede Viertel hat 80 untergeordnete Spuren. Das Modul enthält eine Platte aus magnetischem Material, die sich zwischen zwei orthogonalen Wicklungen befindet, die ein rotierendes Magnetfeld erzeugen. Dazu werden an die Wicklungen dreieckige Ströme angelegt, die um 90 Grad gegeneinander verschoben sind. Die Baugruppe aus Platte und Wicklungen wird zwischen Permanentmagneten platziert und in einem magnetischen Schild untergebracht, der den von den Permanentmagneten erzeugten Magnetfluss schließt und das Gerät vor externen Magnetfeldern abschirmt. Die Platte ist im Winkel von 2,5 Grad angeordnet, was ein geringfügiges Verschiebungsfeld entlang der Neigung erzeugt. Dieses Feld ist im Vergleich zum Feld der Spulen vernachlässigbar und stört die Bewegung der Blasen während des Betriebs des Geräts nicht, verschiebt jedoch die Blasen in feste Positionen relativ zu permalloyhaltigen Elementen, wenn das Gerät ausgeschaltet ist. Eine starke senkrechte Komponente der Permanentmagneten unterstützt das Bestehen von Blasenmagnetdomen.

Das Modul enthält folgende Einheiten:

1. Speichernde Spuren. Die Spuren aus permalloyhaltigen Elementen, die Blasen halten und lenken.
2. Replikationsgenerator. Dient zur Replikation der Blase, die ständig am Generierungsort vorhanden ist.
3. Eingangsspur und Austauschpunkte. Generierte Blasen bewegen sich entlang der Eingangsspur. Blasen bewegen sich in eine der 80 untergeordneten Spuren.
4. Ausgangsspur und Replikationspunkt. Blasen werden aus den Datenspuren gelesen, ohne sie zu zerstören. Eine Blase wird in zwei Teile geteilt, und einer davon wird in die Ausgangsspur geleitet.
5. Detektor. Blasen aus der Ausgangsspur gelangen in einen magnetoresistiven Detektor.
6. Ladespur. Die Ladespur enthält Informationen über aktive und inaktive Datenspuren.

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

Blasengenerierung

Zur Generierung einer Blase befindet sich am Anfang der Eingangsspur ein Draht, der zu einer kleinen Schleife gebogen ist. Ein Stromimpuls wird zugeführt, der in einem sehr kleinen Bereich ein Magnetfeld erzeugt, das stärker ist als das Feld permanenter Magneten. Der Impuls erzeugt an dieser Stelle eine Blase, die dauerhaft erhalten bleibt, unterstützt durch ein permanentes Magnetfeld und entlang des Permalloy-Elements zirkuliert, unter dem Einfluss eines sich drehenden Magnetfelds. Wenn wir eine Eins im Speicher schreiben müssen, legen wir einen kurzen Impuls in die leitende Schleife an, und es entstehen zwei Blasen (im Bild als Bubble split seed gekennzeichnet). Eine der Blasen bewegt sich im sich drehenden Feld entlang der Permalloyspur, die andere bleibt an Ort und Stelle und erreicht schnell ihre ursprüngliche Größe. Dann bewegt sie sich zu einer der untergeordneten Spuren und tauscht ihren Platz mit der Blase, die darin zirkuliert. Diese erreicht wiederum das Ende der Eingangsspur und verschwindet.

Blasenaustausch

Der Blasenaustausch erfolgt, wenn ein Rechteckstromimpuls an den entsprechenden Draht angelegt wird. Dabei findet keine Teilung der Blase in zwei Teile statt.

Daten lesen

Die Daten werden durch Replikation auf den Ausgangspfad geleitet und zirkulieren nach dem Auslesen weiterhin auf ihrem Pfad. So wird in diesem Gerät eine zerstörungsfreie Leseweise realisiert. Für die Replikation wird die Blase unter ein langgestrecktes Element aus Permalloy geleitet, unter dem sie sich ausdehnt. Auch oben befindet sich ein Leiter in Form einer Schleife; wenn ein Stromimpuls in die Schleife gelangt, teilt sich die Blase in zwei Teile. Der Stromimpuls besteht aus einem kurzen Abschnitt mit hoher Stromstärke, um die Blase in zwei Teile zu teilen, und einem längeren Abschnitt mit niedrigerer Stromstärke, um die Blase auf den Ausgangspfad zu leiten.

Am Ende des Ausgangspfades befindet sich ein Blasendetektor, eine magnetoresistive Brücke, die aus Permalloy-Elementen besteht und eine lange Kette bildet. Wenn die magnetische Blase unter das Permalloy-Element gelangt, ändert sich dessen Widerstand, und am Ausgang der Brücke erscheint eine Potentialdifferenz von einigen Millivolt. Die Form der Permalloy-Elemente ist so gestaltet, dass die Blase entlang dieser Elemente bewegt wird; am Ende gelangt sie auf eine spezielle "Schutz"-Leiste und verschwindet.

Redundanz

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

Bootspur

Das Gerät enthält 320 Datenspur, von denen 256 für die Speicherung von Benutzerdaten vorgesehen sind, während die übrigen möglicherweise fehlerhaft sein oder als Ersatz für fehlerhafte Spuren dienen können. Eine zusätzliche Spur enthält Informationen über die Nutzung der Datenspur, gemessen in 12 Bit pro Spur. Wenn die Stromversorgung des Systems angeschaltet wird, muss es initialisiert werden. Während der Initialisierung muss der Controller die Bootspur lesen und die Informationen daraus in ein spezielles Register des Formatierungs-/Stromsensorchips schreiben. Dann verwendet der Controller nur die aktiven Spuren, während inaktive ignoriert werden und keine Schreibvorgänge stattfinden.

Datenspeicher - Struktur

Aus Sicht des Benutzers werden die Daten in 2048 Seiten zu jeweils 512 Bit gespeichert. Jedes Haltegerät speichert 256 Byte Daten, 14 Bit zur Fehlerkorrektur und 2 ungenutzte Bits.

Fehlerkorrektur

Die Erkennung und Korrektur von Fehlern kann durch den Stromsensorchip erfolgen, der einen 14-Bit-Code-Decoder enthält, der in jedem Block von 270 Bits (einschließlich des Codes) eine Einzelbitfehlerkorrektur für Burstfehler von bis zu 5 Bits durchführt. Der Code wird am Ende jedes 256-Bit-Blocks hinzugefügt. Der Korrekturcode kann nach Belieben des Benutzers verwendet oder nicht verwendet werden, die Überprüfung des Codes kann im Controller ein- oder ausgeschaltet 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, das ist die Hälfte der Zeit, die erforderlich ist, um einen vollständigen Zyklus über die Spur zu machen, plus die Zeit, die benötigt wird, um die Ausgangsspur zu durchlaufen.

320 aktive und Reserve-Spuren sind in vier Teile mit jeweils 80 Spuren unterteilt. Diese Organisation reduziert die Zugriffszeit. Viertel werden paarweise adressiert: jedes Paar von Vierteln enthält die geraden und ungeraden Bits des Wortes. Das Gerät hat vier Eingabespuren mit vier Ausgangsblasen und vier Ausgangsspuren. Die Ausgangsspuren verwenden zwei Sensoren, die so organisiert sind, dass in einen Sensor nie zwei Blasen aus zwei Spuren gleichzeitig gelangen. So werden vier Blasenströme multiplexiert und in zwei Bitströme umgewandelt und in den Registern des Stromsensors gespeichert. Dort wird der Inhalt der Register erneut multiplexiert und über die serielle Schnittstelle an den Controller gesendet.

Im zweiten Teil des Artikels werden wir das Schaltungsdesign des Speichercontroller genauer betrachten.

4. Literaturverzeichnis

Der Autor hat in den tiefsten Ecken des Internets nützliche technische Informationen über CMD-Speicher, dessen Geschichte und andere verwandte Aspekte gesammelt und für Sie aufbewahrt:

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 — Blasenspeicher
4. https://cloud.mail.ru/public/3qNi/33LMQg8Fn Adaptation des Magnetbubble-Speichers in einer Standard-Mikrocomputerumgebung
5. https://cloud.mail.ru/public/4YgN/ujdGWtAXf — Texas Instruments TIB 0203 Blasenspeicher
6. https://cloud.mail.ru/public/4PRV/5qC4vyjLa — Handbuch für Speicherkomponenten. Intel 1983.
7. https://cloud.mail.ru/public/4Mjv/41Xrp4Rii 7110 1-Megabit Blasenspeicher

Quelle: habr.com