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1 La historia
La memoria de burbuja, o memoria de dominio magnético cilíndrico, es una memoria no volátil desarrollada en Bell Labs en 1967 por Andrew Bobeck. Los estudios han demostrado que se forman pequeños dominios magnéticos cilíndricos en películas delgadas monocristalinas de ferritas y granates cuando un campo magnético lo suficientemente fuerte se dirige perpendicularmente a la superficie de la película. Al cambiar el campo magnético, estas burbujas se pueden mover. Tales propiedades hacen que las burbujas magnéticas sean ideales para construir un almacén de bits secuenciales, como un registro de desplazamiento, en el que la presencia o ausencia de una burbuja en una determinada posición indica un valor de cero o un bit. La burbuja tiene décimas de micra de diámetro y un solo chip puede almacenar miles de bits de datos. Entonces, por ejemplo, en la primavera de 1977, Texas Instruments introdujo por primera vez en el mercado un chip con una capacidad de 92304 bits. Esta memoria no es volátil, lo que la hace similar a una cinta magnética o un disco, pero debido a que es de estado sólido y no contiene partes móviles, es más confiable que la cinta o el disco, no requiere mantenimiento y es mucho más pequeña y liviana. , y se puede utilizar en dispositivos portátiles.
Inicialmente, el inventor de la burbuja de memoria, Andrew Bobek, propuso una versión "unidimensional" de la memoria, en forma de hilo alrededor del cual se enrolla una delgada tira de material ferromagnético. Tal memoria se llamó memoria "twistor", e incluso se produjo en masa, pero pronto fue reemplazada por la versión "bidimensional".
Puede leer sobre la historia de la creación de la burbuja de memoria en [1-3].
2. Principio de funcionamiento
Aquí les pido que me perdonen, no soy físico, por lo que la presentación será muy aproximada.
Algunos materiales (como el granate de galio y gadolinio) tienen la propiedad de magnetizarse en una sola dirección, y si se aplica un campo magnético constante a lo largo de este eje, las regiones magnetizadas formarán algo así como burbujas, como se muestra en la figura a continuación. Cada burbuja tiene solo unas pocas micras de diámetro.
Supongamos que tenemos una película cristalina delgada, del orden de 0,001 pulgadas, de dicho material depositada sobre un sustrato no magnético, como el vidrio.
Se trata de las burbujas mágicas. La imagen de la izquierda: no hay campo magnético, la imagen de la derecha: el campo magnético se dirige perpendicularmente a la superficie de la película.
Si en la superficie de una película de dicho material se forma un patrón a partir de un material magnético, por ejemplo, permalloy, una aleación de hierro y níquel, entonces las burbujas se magnetizarán a los elementos de este patrón. Por lo general, se utilizan patrones en forma de elementos en forma de T o en forma de V.
Una sola burbuja puede formarse mediante un campo magnético de 100-200 oersteds, que se aplica perpendicularmente a la película magnética y es creado por un imán permanente, y un campo magnético giratorio formado por dos bobinas en las direcciones XY, le permite moverse los dominios de burbujas de una "isla" magnética a otra, como se muestra en la figura. Después de un cambio cuádruple en la dirección del campo magnético, el dominio se moverá de una isla a la siguiente.
Todo esto nos permite considerar el dispositivo CMD como un registro de desplazamiento. Si formamos burbujas en un extremo del registro y las detectamos en el otro, entonces podemos soplar un cierto patrón de burbujas y usar el sistema como un dispositivo de memoria, leyendo y escribiendo bits en ciertos momentos.
De aquí siguen las ventajas y desventajas de la memoria CMD: la ventaja es la independencia energética (siempre que se aplique un campo perpendicular creado por imanes permanentes, las burbujas no desaparecerán por ningún lado y no se moverán de sus posiciones), y la desventaja es una mucho tiempo de acceso, porque para acceder a un bit arbitrario, debe desplazar todo el registro de desplazamiento a la posición deseada, y cuanto más largo sea, más ciclos requerirá.
El patrón de elementos magnéticos en la película magnética CMD.
La creación de un dominio magnético se denomina en inglés "nucleación", y consiste en que se aplica al devanado una corriente de varios cientos de miliamperios durante un tiempo de unos 100 ns, y se crea un campo magnético perpendicular al película y opuesto al campo de un imán permanente. Esto crea una "burbuja" magnética, un dominio magnético cilíndrico en la película. Desafortunadamente, el proceso depende en gran medida de la temperatura, es posible que una operación de escritura falle sin que se forme una burbuja o que se formen múltiples burbujas.
Se utilizan varias técnicas para leer datos de una película.
Una forma, la lectura no destructiva, es detectar el campo magnético débil del dominio cilíndrico utilizando un sensor magnetorresistivo.
La segunda forma es la lectura destructiva. La burbuja se dirige a una pista especial de generación/detección, donde la burbuja se destruye mediante la magnetización directa del material. Si el material estuviera magnetizado inversamente, es decir, si hubiera una burbuja, esto causaría más corriente en la bobina y esto sería detectado por el circuito electrónico. Después de eso, la burbuja debe volver a generarse en una pista de grabación especial.
Sin embargo, si la memoria está organizada como una matriz contigua, tendrá dos grandes inconvenientes. Primero, el tiempo de acceso será muy largo. En segundo lugar, un solo defecto en la cadena conducirá a la inoperancia total de todo el dispositivo. Por lo tanto, forman una memoria organizada en forma de una pista principal y muchas pistas subordinadas, como se muestra en la figura.
Burbuja de memoria con una pista continua
Memoria de burbujas con pistas maestras/esclavas
Una configuración de memoria de este tipo permite no solo reducir en gran medida el tiempo de acceso, sino que también permite la producción de dispositivos de memoria que contienen un cierto número de pistas defectuosas. El controlador de memoria debe tenerlos en cuenta y omitirlos durante las operaciones de lectura/escritura.
La siguiente figura muestra una sección transversal de un "chip" de memoria de burbuja.
También puede leer sobre el principio de la memoria de burbujas en [4, 5].
3 Intel 7110
Intel 7110: módulo de memoria de burbuja, MBM (memoria de burbuja magnética) con una capacidad de 1 MB (1048576 bits). Es él quien está representado en el KDPV. 1 megabit es la capacidad de almacenamiento de datos del usuario, teniendo en cuenta las pistas redundantes, la capacidad total es de 1310720 bits. El dispositivo contiene 320 pistas en bucle (bucles) con una capacidad de 4096 bits cada una, pero solo 256 de ellas se utilizan para datos de usuario, el resto es una reserva para reemplazar pistas "rotas" y para almacenar código de corrección de errores redundante. El dispositivo tiene una arquitectura de bucle de pista principal-menor. La información sobre las pistas activas está contenida en una pista de arranque separada (bucle de arranque). En el KDPV, puede ver el código hexadecimal impreso directamente en el módulo. Este es el mapa de pistas "rotas", 80 dígitos hexadecimales representan 320 pistas de datos, las activas están representadas por un solo bit, las inactivas por cero.
Puede leer la documentación original del módulo en [7].
El dispositivo tiene una carcasa con una disposición de pines de doble fila y está montado sin soldadura (en un zócalo).
La estructura del módulo se muestra en la figura:
La matriz de memoria se divide en dos "medias secciones" (medias secciones), cada una de las cuales se divide en dos "cuartos" (quads), cada cuarto tiene 80 pistas esclavas. El módulo contiene una placa con material magnético ubicada dentro de dos devanados ortogonales que crean un campo magnético giratorio. Para hacer esto, se aplican a los devanados señales de corriente de forma triangular, desplazadas 90 grados entre sí. El conjunto de la placa y los devanados se coloca entre los imanes permanentes y se coloca en un escudo magnético que cierra el flujo magnético generado por los imanes permanentes y protege el dispositivo de los campos magnéticos externos. La placa se coloca con una pendiente de 2,5 grados, lo que crea un pequeño campo de desplazamiento a lo largo de la pendiente. Este campo es insignificante en comparación con el campo de las bobinas y no interfiere con el movimiento de las burbujas durante el funcionamiento del dispositivo, pero desplaza las burbujas a posiciones fijas en relación con los elementos de permalloy cuando se apaga el dispositivo. El fuerte componente perpendicular de los imanes permanentes respalda la existencia de dominios magnéticos de burbujas.
El módulo contiene los siguientes nodos:
- Pistas de memoria. Directamente esas pistas de elementos de permalloy que sujetan y guían las burbujas.
- generador de replicacion Sirve para la replicación de la burbuja, que está constantemente presente en el lugar de generación.
- Pista de entrada y nodos de intercambio. Las burbujas generadas se mueven a lo largo de la pista de entrada. Las burbujas se mueven a una de las 80 pistas esclavas.
- Pista de salida y nodo de replicación. Las burbujas se sustraen de las pistas de datos sin destruirlas. La burbuja se divide en dos partes y una de ellas va a la pista de salida.
- Detector. Las burbujas de la pista de salida ingresan al detector magnetorresistivo.
- Cargando pista. La pista de arranque contiene información sobre pistas de datos activas e inactivas.
A continuación veremos estos nodos con más detalle. También puede leer la descripción de estos nodos en [6].
generación de burbujas
Para generar una burbuja, al comienzo de la pista de entrada hay un conductor doblado en forma de un pequeño bucle. Se le aplica un pulso de corriente, que crea un campo magnético en un área muy pequeña más fuerte que el campo de los imanes permanentes. El impulso crea una burbuja en este punto, que permanece permanentemente mantenida por un campo magnético constante y circula a lo largo del elemento de permalloy bajo la influencia de un campo magnético giratorio. Si necesitamos escribir una unidad en la memoria, aplicamos un pulso corto al bucle conductor y, como resultado, nacen dos burbujas (indicadas como Bubble split seed en la figura). Una de las burbujas es impulsada por el campo giratorio a lo largo de la pista de permalloy, la segunda permanece en su lugar y rápidamente adquiere su tamaño original. Luego se mueve a una de las vías esclavas y cambia de lugar con la burbuja que circula por ella. Este, a su vez, llega al final de la pista de entrada y desaparece.
intercambio de burbujas
El intercambio de burbujas ocurre cuando se aplica un pulso de corriente rectangular al conductor correspondiente. En este caso, la burbuja no se divide en dos partes.
Lectura de datos
Los datos se envían a la pista de salida por replicación y continúan circulando en su pista después de ser leídos. Así, este dispositivo implementa un método de lectura no destructivo. Para replicar, la burbuja se guía debajo de un elemento de permalloy alargado, debajo del cual se estira. Arriba también hay un conductor en forma de bucle, si se aplica un pulso de corriente al bucle, la burbuja se dividirá en dos partes. El pulso actual consta de una sección corta con alta corriente para dividir la burbuja en dos partes y una sección más larga con menos corriente para dirigir la burbuja a la pista de salida.
Al final de la pista de salida se encuentra el Detector de burbujas, un puente magnetorresistivo hecho de elementos de permalloy que forman un circuito largo. Cuando una burbuja magnética cae debajo de un elemento de permalloy, su resistencia cambia y aparece una diferencia de potencial de varios milivoltios en la salida del puente. La forma de los elementos de permalloy se elige de modo que la burbuja se mueva a lo largo de ellos, al final golpea un neumático especial de "protección" y desaparece.
Redundancia
El dispositivo contiene 320 pistas, cada una con 4096 bits. De estos, 272 están activos, 48 son repuestos, inactivos.
Pista de arranque (bucle de arranque)
El dispositivo contiene 320 pistas de datos, de las cuales 256 están destinadas a almacenar datos de usuario, el resto puede estar defectuoso o puede servir como repuesto para reemplazar los defectuosos. Una pista adicional contiene información sobre el uso de pistas de datos, 12 bits por pista. Cuando el sistema está encendido, debe inicializarse. Durante el proceso de inicialización, el controlador debe leer la pista de arranque y escribir información de ella en un registro especial del chip de formateo/sensor de corriente. Luego, el controlador usará solo las pistas activas, y las inactivas se ignorarán y no se escribirán en ellas.
Almacén de datos - Estructura
Desde el punto de vista del usuario, los datos se almacenan en 2048 páginas de 512 bits cada una. En cada mitad del dispositivo se almacenan 256 bytes de datos, 14 bits de código de corrección de errores y 2 bits no utilizados.
Error de corrección
La detección y corrección de errores se puede realizar mediante un chip sensor de corriente, que contiene un decodificador de código de 14 bits que corrige un solo error de hasta 5 bits (error de ráfaga) en cada bloque de 270 bits (incluido el código mismo). El código se adjunta al final de cada bloque de 256 bits. El código de corrección se puede utilizar o no, a petición del usuario, la verificación del código se puede activar o desactivar en el controlador. Si no se usa ningún código, los 270 bits se pueden usar para datos de usuario.
Tiempo de acceso
El campo magnético gira a una frecuencia de 50 kHz. El tiempo medio de acceso al primer bit de la primera página es de 41 ms, que es la mitad del tiempo que se tarda en completar un ciclo completo a través de la pista más el tiempo que se tarda en recorrer la pista de salida.
Las 320 pistas activas y de repuesto se dividen en cuatro partes de 80 pistas cada una. Esta organización reduce el tiempo de acceso. Los cuartos se abordan en pares: cada par de cuartos contiene partes pares e impares de la palabra, respectivamente. El dispositivo contiene cuatro pistas de entrada con cuatro burbujas iniciales y cuatro pistas de salida. Las pistas de salida usan dos detectores, están organizadas de tal manera que dos burbujas de dos pistas nunca golpean un detector al mismo tiempo. Por lo tanto, los cuatro flujos de burbujas se multiplexan y se convierten en dos flujos de bits y se almacenan en los registros del chip sensor actual. Allí, los contenidos de los registros se multiplexan nuevamente y se envían al controlador a través de la interfaz serial.
En la segunda parte del artículo, veremos más de cerca el circuito del controlador de memoria de burbuja.
4. Referencias
El autor encontró en los rincones más oscuros de la red y guardó para usted mucha información técnica útil sobre la memoria en el CMD, su historia y otros aspectos relacionados:
1. — Dos recuerdos del ingeniero Bobek
2. - Dos recuerdos del ingeniero Bobek (parte 2)
3. — Burbuja de memoria
4. Adaptación de la memoria de burbuja magnética en un entorno de microcomputadora estándar
5. — Memoria de burbuja TIB 0203 de Texas Instruments
6. — Manual de componentes de la memoria. Intel 1983.
7. 7110 Memoria de burbuja de 1 megabit
Fuente: habr.com