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1. Historia
La memoria de burbujas, o memoria en dominios magnéticos cilíndricos, es una memoria no volátil, desarrollada en Bell Labs en 1967 por Andrew Bobeck. Las investigaciones mostraron que pequeños dominios magnéticos cilíndricos se forman en películas delgadas monocrystalinas de ferritas y granates cuando un campo magnético lo suficientemente fuerte se aplica perpendicularmente a la superficie de la película. Al cambiar el campo magnético, se pueden mover estas burbujas. Tale características hacen que las burbujas magnéticas sean un medio ideal para construir un almacenamiento secuencial de bits, similar a un registro de desplazamiento, donde la presencia o ausencia de una burbuja en una posición determinada indica el valor cero o uno del bit. El diámetro de la burbuja es de décimas de micrón, un chip puede almacenar miles de bits de datos. Por ejemplo, en la primavera de 1977, Texas Instruments presentó por primera vez al mercado un chip con capacidad de 92304 bits. Esta memoria es no volátil, lo que la hace similar a las cintas magnéticas o discos, pero dado que es de estado sólido y no contiene partes móviles, tiene una mayor fiabilidad que la cinta o el disco, no requiere mantenimiento, además de ser mucho más pequeña y ligera, y puede utilizarse en dispositivos portátiles.
Originalmente, el inventor de la memoria de burbujas, Andrew Bobeck, propuso una variante "unidimensional" de la memoria, en forma de un hilo en el que se enrollaba una delgada banda de material ferromagnético. Esta memoria se llamaba "twistor", y se producía en serie, sin embargo, pronto fue reemplazada por la variante "bidimensional".
Puede consultar la historia de la creación de la memoria de burbujas en [1-3].
2. Principio de funcionamiento
Aquí les pido disculpas, no soy físico, por lo que la explicación será muy aproximada.
Algunos materiales (como el granate de gadolinio-gallio) tienen la propiedad de magnetizarse en una sola dirección, y si se aplica un campo magnético constante a lo largo de este eje, las áreas magnetizadas formarán algo parecido a burbujas, como se muestra en la imagen a continuación. Cada burbuja tiene solo unos pocos micrones de diámetro.
Supongamos que tenemos una película cristalina delgada, de aproximadamente 0,001 pulgadas, hecha de tal material, aplicada sobre un sustrato no magnético, como por ejemplo, vidrio.
Todo se debe a las burbujas mágicas. La imagen a la izquierda muestra que el campo magnético está ausente, y la imagen a la derecha muestra el campo magnético dirigido perpendicularmente a la superficie de la película.
Si en la superficie de la película hecha de tal material se forma un patrón con material magnético, como permalloy, una aleación de hierro y níquel, entonces las burbujas se magnetizarán hacia los elementos de este patrón. Generalmente, se utilizan patrones en forma de elementos en T o en V.
Una burbuja única puede ser formada por un campo magnético de 100-200 ersted, que se aplica perpendicularmente a la película magnética y se crea con un imán permanente, mientras que un campo magnético rotatorio, formado por dos bobinas en direcciones XY, permite mover los dominios de burbujas de una 'isla' magnética a otra, como se muestra en la imagen. Después de cambiar la dirección del campo magnético cuatro veces, el dominio se trasladará de una isla a la vecina.
Todo esto permite considerar el dispositivo CMD como un registro de desplazamiento. Si formamos burbujas en un extremo del registro y las detectamos en el otro, podemos hacer circular un patrón específico de burbujas y utilizar el sistema como un dispositivo de almacenamiento, leyendo y escribiendo bits en momentos específicos.
De aquí se deducen las ventajas y desventajas de la memoria en CMD: la ventaja es la independencia energética (mientras se mantenga un campo perpendicular, creado por imanes permanentes, las burbujas no desaparecerán ni se desplazarán de sus posiciones), mientras que la desventaja es el largo tiempo de acceso, ya que para acceder a un bit aleatorio es necesario desplazar todo el registro de desplazamiento hasta la posición necesaria, y cuanto más largo sea, más ciclos se requerirán.
El patrón de elementos magnéticos en la película magnética CMD.
La creación de un dominio magnético se llama en inglés «nucleation» y consiste en aplicar una corriente de varios cientos de miliamperios a la bobina durante aproximadamente 100 ns, creando un campo magnético perpendicular a la película y opuesto al campo de un imán permanente. Esto genera una «burbuja» magnética, un dominio magnético cilíndrico en la película. Lamentablemente, el proceso depende mucho de la temperatura, pudiendo resultar en un fallo en la operación de escritura, durante el cual la burbuja no se forma, o en la formación de múltiples burbujas.
Se utilizan varias técnicas para leer datos de la película.
Una forma, la lectura no destructiva, consiste en detectar el débil campo magnético del dominio cilíndrico utilizando un sensor magnetoresistivo.
El segundo método es la lectura destructiva. La burbuja se desvia a una pista especial de generación/detección, donde se destruye mediante el magnetizado del material en la dirección directa. Si el material ha sido magnetizado en dirección opuesta, es decir, si la burbuja estaba presente, esto generará una mayor corriente en la bobina, que será detectada por el circuito electrónico. Luego, la burbuja debe ser regenerada en una pista de escritura especial.
Sin embargo, si la memoria se organiza como un solo arreglo continuo, tendrá dos grandes desventajas. En primer lugar, el tiempo de acceso será muy alto. En segundo lugar, un solo defecto en la cadena llevará a la total inutilidad de todo el dispositivo. Por lo tanto, se fabrica una memoria organizada como una pista principal y muchas pistas subordinadas, como se muestra en la figura.
Memoria de burbujas con una pista continua
Memoria de burbujas con pistas principales/subordinadas
Esta configuración de memoria no solo permite reducir significativamente el tiempo de acceso, sino que también permite fabricar dispositivos de memoria que contengan una cierta cantidad de pistas defectuosas. El controlador de memoria debe tenerlas en cuenta y evitarlas en las operaciones de lectura/escritura.
En la figura de abajo se muestra una sección del «chip» de memoria de burbujas.
También puedes leer sobre el principio de funcionamiento 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). Este es el que se muestra en la imagen. 1 megabit es la capacidad para almacenar datos del usuario, considerando las pistas redundantes, la capacidad total es de 1310720 bits. El dispositivo contiene 320 pistas en bucle (loops) con una capacidad de 4096 bits cada una, pero solo se utilizan 256 para los datos del usuario, el resto es reserva para reemplazar pistas "dañadas" y para almacenar código de corrección de errores redundante. El dispositivo tiene una arquitectura de "pista principal-pistas subordinadas" (major track-minor loop). La información sobre las pistas activas se encuentra en una pista de arranque (bootstrap loop) separada. En la imagen puedes ver el código hexadecimal impreso directamente en el módulo. Esta es la carta de las pistas "dañadas", 80 dígitos hexadecimales representan 320 pistas de datos, las activas se representan con un bit uno, las no activas con un cero.
Puedes consultar la documentación original del módulo en [7].
El dispositivo tiene un cuerpo con disposición de pines en dos filas y se monta sin soldadura (en un zócalo).
La estructura del módulo se muestra en la imagen:
La matriz de memoria se divide en dos "mitades" (half sections), cada una se divide en dos "cuartas partes" (quads), cada cuarta parte tiene 80 pistas subordinadas. El módulo contiene una placa de material magnético situada dentro de dos bobinas ortogonales que crean un campo magnético rotatorio. Para ello, se aplican señales de corriente triangular a las bobinas, desplazadas 90 grados entre sí. El ensamblaje de la placa y las bobinas se coloca entre imanes permanentes y se coloca en una pantalla magnética, que cierra el flujo magnético creado por los imanes permanentes y aísla el dispositivo de los campos magnéticos externos. La placa está inclinada a 2.5 grados, lo que crea un bajo campo de desplazamiento dirigido a lo largo de la inclinación. Este campo es despreciable en comparación con el campo de las bobinas y no interfiere con el movimiento de los burbujas durante el funcionamiento del dispositivo, pero desplaza las burbujas a posiciones fijas en relación a los elementos de permalloy, cuando el dispositivo está apagado. Una fuerte componente perpendicular de los imanes permanentes mantiene la existencia de dominios magnéticos de burbujas.
El módulo contiene los siguientes nodos:
- Pistas de memoria. Son esas pistas de elementos de permalloy que retienen y dirigen las burbujas.
- Generador de replicación. Se utiliza para replicar la burbuja que está continuamente 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 trasladan a una de las 80 pistas subordinadas.
- Pista de salida y nodo de replicación. Las burbujas se leen desde las pistas de datos sin ser destruidas. La burbuja se divide en dos partes, y una de ellas se dirige a la pista de salida.
- Detector. Las burbujas de la pista de salida llegan al detector magnetoresistivo.
- Pista de carga. La pista de carga contiene información sobre las pistas de datos activas e inactivas.
A continuación, examinaremos estos nodos con más detalle. También puedes consultar la descripción de estos nodos en [6].
Generación de burbujas
Para generar una burbuja, al inicio de la pista de entrada hay un conductor doblado en forma de pequeña loop. Se aplica un pulso de corriente que crea un campo magnético más fuerte en una zona muy pequeña que el de los imanes permanentes. El pulso genera en ese lugar una burbuja que permanece de manera constante, soportada por el campo magnético permanente, y circula a lo largo del elemento de permalloy bajo la acción de un campo magnético rotativo. Si necesitamos escribir un uno en la memoria, aplicamos un pulso corto en el lazo conductor, y como resultado nace dos burbujas (indicadas en la figura como Bubble split seed). Una de las burbujas se dirige a lo largo de la pista de permalloy bajo el campo rotativo, mientras que la otra permanece en su lugar y rápidamente adquiere su tamaño original. Luego se mueve a una de las pistas subordinadas y cambia de lugar con la burbuja que circula en ella. Esa burbuja, 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 de forma rectangular al conductor correspondiente. No se produce la división de la burbuja en dos partes.
Lectura de datos
Los datos se envían a la pista de salida mediante replicación y continúan circulando en su pista después de la lectura. Así, este dispositivo implementa un método de lectura no destructivo. Para la replicación, la burbuja se dirige hacia un elemento alargado de permalloy, debajo del cual se expande. También hay un conductor en forma de bucle en la parte superior; si se aplica un pulso de corriente al bucle, la burbuja se dividirá en dos partes. El pulso de corriente consta de una sección corta con una alta intensidad de corriente para dividir la burbuja en dos partes, y una sección más larga con menor intensidad de corriente para dirigir la burbuja hacia la pista de salida.
Al final de la pista de salida se encuentra un detector de burbujas, un puente magnetorresistivo hecho de elementos de permalloy que forman un circuito de gran longitud. Cuando la burbuja magnética pasa bajo el elemento de permalloy, su resistencia cambia, y en la salida del puente aparece una diferencia de potencial de varios milivoltios. La forma de los elementos de permalloy está diseñada para que la burbuja se desplace a lo largo de ellos; al final, llega a un bus de "protección" especial y desaparece.
Redundancia
El dispositivo contiene 320 pistas, cada una de 4096 bits. De ellas, 272 son activas y 48 son de reserva, inactivas.
Pista de arranque (Boot Loop)
El dispositivo contiene 320 pistas de datos, de las cuales 256 están destinadas al almacenamiento de datos de usuario; las restantes pueden ser defectuosas o pueden servir como reservas para reemplazar las defectuosas. Una pista adicional contiene información sobre el uso de las pistas de datos, 12 bits por cada pista. Cuando se energiza el sistema, debe ser inicializado. Durante el proceso de inicialización, el controlador debe leer la pista de arranque y escribir la información en un registro especial del chip de formateo/sensor de corriente. Entonces, el controlador utilizará solo las pistas activas, ignorando las inactivas, y no se realizará escritura en ellas.
Almacenamiento de datos - estructura
Desde la perspectiva del usuario, los datos se almacenan en 2048 páginas de 512 bits cada una. Se almacenan 256 bytes de datos, 14 bits de código de corrección de errores y 2 bits no utilizados en cada mitad del dispositivo.
Corrección de errores
La detección y corrección de errores puede realizarse mediante un chip sensor de corriente que contiene un decodificador de código de 14 bits, que corrige un único error de longitud de hasta 5 bits (error de ráfaga) en cada bloque de 270 bits (incluido el propio código). El código se añade al final de cada bloque de 256 bits. El código de corrección puede ser usado o no, a elección del usuario, y la verificación del código puede activarse o desactivarse en el controlador. Si no se utiliza el código, todos los 270 bits pueden ser usados para datos del usuario.
Tiempo de acceso
El campo magnético rota 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 requerido para completar un ciclo completo a lo largo de la pista, más el tiempo de recorrido de la pista de salida.
320 pistas activas y de reserva se dividen en cuatro partes de 80 pistas cada una. Esta organización reduce el tiempo de acceso. Las cuartas partes se direccionan en pares: cada par de cuartas contiene bits 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 utilizan dos detectores, organizados de tal manera que en un detector nunca entran dos burbujas de dos pistas al mismo tiempo. Así, cuatro flujos de burbujas se multiplexan y convierten en dos flujos de bits y se almacenan en los registros del chip del sensor de corriente. Allí, el contenido de los registros se multiplexa nuevamente y a través de una interfaz en serie llega al controlador.
En la segunda parte del artículo, examinaremos más a fondo el circuito del controlador de memoria de burbujas.
4. Lista de referencias
El autor encontró en los rincones más oscuros de la red y recopiló para ustedes una gran cantidad de información técnica útil sobre la memoria de burbujas, su historia y otros aspectos relacionados:
1. — Dos memorias del ingeniero Bobek
2. — Dos memorias del ingeniero Bobek (parte 2)
3. — Memoria de burbujas
4. Adaptación de la Memoria Magnética de Burbujas en un Entorno de Microcomputadora Estándar
5. — Memoria de Burbujas TIB 0203 de Texas Instruments
6. — Manual de Componentes de Memoria. Intel 1983.
7. 7110 Memoria de Burbujas de 1 Megabit
Fuente: habr.com
