🥇Silindriliste magnetdomeenide mälutehnika. Osa 1. Tööprintsiip

Foto autori kollektsioonist

1. Ajalugu

Õhumullide mälu, või tsilindriliste magnetdomeenide mälu, on energiat mittevajav mälu, mille töötas välja Bell Labs 1967. aastal Andrew Bobeck. Uuringud näitasid, et väikesed tsilindrilised magnetdomeenid moodustuvad monokristalliliste õhukeste feriit- ja graniidikihide korral, kui piisavalt tugev magnetväli suunatakse risti kihi pinnale. Muutes magnetvälja, saab neid nõelu liigutada. Sellised omadused teevad magnetpettidest ideaalse vahendi bitijadade sekventiaalse salvestamise loomiseks, sarnaselt nihkeregisteriga, kus mullide olemasolu või puudumine kindlas positsioonis tähendab, et bitil on väärtus null või üks. Mulli diameeter on kümnendikud mikronist, üks kiip võib salvestada tuhandeid bite andmeid. Näiteks esitles Texas Instruments esmakordselt 1977. aasta kevadel turul 92304-bitise mahuga kiipi. See mälu on energiat mitte vajav, mis teeb selle sarnaseks magnetlindi või kettaga, kuid kuna see on tahkeline ja ei sisalda liikuvaid osi, on see usaldusväärsem kui lint või kett ning ei vaja hooldust; samas on selle mõõtmed ja kaal palju väiksemad ning seda saab kasutada kaasaskantavates seadmetes.

Alguses pakkus õhumullide mälu leiutaja Andrew Bobeck välja "ühe mõõtme" versiooni mälust, mis koosneb õhukesest ferromagnetilise materjali ribast, mis on keeratud nöörile. Seda mälu nimetati "twistoriks" ja seda toodeti isegi seeriatootmisena, kuid peagi tõrjuti see "kahemõõtmelise" variandi poolt.

Ajaloo kohta õhumullide mälu loomise osas võite tutvuda [1-3].

2. Tööprintsiip

Siin palun mind andestada, ma ei ole füüsik, seega on esitlus väga umbkaudne.

Mõned materjalid (näiteks gadolinium-galiumgraniit) omavad omadust magnetiseeruda ainult ühes suunas ning kui sellel teljel rakendada pidevat magnetvälja, moodustavad magnetiseeritud alad midagi sarnast mullidele, nagu on näidatud alloleval joonisel. Iga mulli diameeter on vaid mõni mikron.

Olgu meil on õhuke, umbes 0,001 tolli paksune, kristallmaterjalist kile, mis on kantud mitte-magnetilisele, näiteks klaasist, alusele.

Küsimus on maagilistes mullides. Vasakpoolne pilt — magnetväli puudub, parempoolne pilt — magnetväli on suunatud risti kile pinnaga.

Kui sellele materjalile kuplikult kujundatakse magnetmaterjalist muster, näiteks permaloo, raua-nikkeli sulam, siis mullid kinnituvad selle mustri elementidele. Tüüpiliselt kasutatakse T- või V-kujulisi mustreid.

Üksikmull võib tekkida magnetväljas, mis on 100-200 erstedit ja on suunatud risti magnetkilega, ning see luuakse püsivaga. Kaks mähist, mis pöörlevad XY suundades, võimaldavad mullide-domeenide liikumist ühe magnetilise "saare" juurest teise, nagu on näidatud pildil. Pärast neljakordset magnetvälja suuna muutmist liigub domeen ühelt saarelt naaber saarele.

Kogu see info võimaldab vaadelda CMD-seadet kui nihkelisti. Kui me loome mullid registri ühes otsas ja tuvastame need teises otsas, saame suunata kindla mullide mustri ringikujuliselt ja kasutada süsteemi mälu seadmise seadmena, lugedes ja salvestades bite kindlatel ajamomentidel.

Sealt tulenevad CMD-mälu eelised ja puudused: eeliseks on energia sõltumatus (kuni on rakendatud suunatud väli, mida loovad püsiv magnetid, mullid ei kao ega liigu oma kohtadelt), kuid puuduseks on pikk juurdepääsu aeg, kuna ühele juhuslikule bitile ligipääsemiseks tuleb kogu nihkelisti keerata soovitud positsiooni, ja mida pikem see on, seda rohkem tsükleid selleks on vajalik.

Magnetelementide muster CMD magnetkilel.

Magnetilise domeeni loomine nimetatakse inglise keeles «nucleation», ja see seisneb selles, et keermesse rakendatakse vool, mis on paarisaja milliampere ja kestab umbes 100 ns, luues magnetvälja, mis on risti kihiga ja vastupidine alalise magneti väljale. Selle protsessiga luuakse magnetiline «mull» — silindriline magnetiline domeen kihis. Kahjuks sõltub see protsess tugevalt temperatuurist, mis võib põhjustada salvestamise ebaõnnestumist, kusjuures mull ei moodustu või tekivad mitmed mullid.

Andmete lugemiseks kihist kasutatakse mitmeid tehnikaid.

Üks viis, mittepurustav lugemine, seisneb silindrilise domeeni nõrga magnetvälja tuvastamises magnetoresistiivse anduri abil.

Teine meetod on purustav lugemine. Mull suunatakse spetsiaalsesse genereerimise/detekteerimise rajasse, kus see hävitatakse, magnetiseerides materjali sirges suunas. Kui materjal on magnetiseeritud vastupidises suunas, st mull on kohal, põhjustab see suuremat voolu spiraalis ja seda tuvastab elektrooniline ahel. Pärast seda tuleb mull uuesti genereerida spetsiaalses salvestusrajatises.

Kuid kui mälu on korraldatud ühe pideva massiivina, on sellel kaks suurt puudust. Esiteks, ligipääsu aeg on väga suur. Teiseks, ainus defekt ahelas toob kaasa kogu seadme täieliku mittefunktsionaalsuse. Seetõttu korraldatakse mälu ühe peamise raja ja paljude alluvate radade kujul, nagu on näidatud joonisel.

Ühe pideva rajaga mullimälu

Peamise/alluvate radadega mullimälu

Selline mälu konfiguratsioon mitte ainult ei vähenda juurdepääsu aega oluliselt, vaid võimaldab ka tootmisprotsessis sisaldada mõningaid defektseid radu. Mälu kontroller peab arvestama nende defektidega ja vältima neid lugemise/salvestamise operatsioonide ajal.

Alloleval joonisel on näha «kiibi» lõikepilt mullimälust.

Samuti saate lugeda mullimälu toimimise põhimõttest [4, 5].

3. Intel 7110

Intel 7110 — mullide õhumälu, MBM (magnetic-bubble memory) maht 1 MB (1048576 bitti). Just see on kujutatud KDPV-l. 1 megabit on kasutajaandmete salvestusmaht, arvestades ülemääraseid radu, on täielik maht 1310720 bitti. Seade sisaldab 320 silmuskujulikku rada (loops), millest igaühe maht on 4096 bitti, kuid kasutajaandmete jaoks kasutatakse vaid 256, ülejäänud on reserv defektsete radade asendamiseks ja veakorrektuurikoodi salvestamiseks. Seade omab arhitektuuri „peamine rada-alamrajad” (major track-minor loop). Teave aktiivsete radade üle on salvestatud eraldi laadimisraja (bootstrap loop) sisse. KDPV-l näete kuuekümnendkood, mis on otse moodulile prinditud. See ongi defektsete radade kaart, 80 kuue kuu numbrit esindavad 320 andmearada, aktiivsed on esindatud ühekordse bitiga, mitteaktiivsed nulliga.

Kuna te saate tutvuda mooduli originaaldokumendiga [7].

Seade on kahe rea väljundite paigutusega korpusega ja see paigaldatakse ilma jootmiseta (socketi sisse).

Mooduli struktuur on näidatud joonisel:

Mälu massiiv jaguneb kaheks „poolseksiooniks” (half sections), kummalgi on kaks „neljandikku” (quads), igal neljandikul on 80 alamrada. Moodul sisaldab magnetmaterjaliga plaati, mis asub kahe ortogonaalse mähise vahel, luues pöörleva magnetvälja. Selleks edastatakse mähistele kolmnurksete voolude signaalid, mis on omavahel 90 kraadi välja nihutatud. Plaadi ja mähiste komplekt asub püsivate magnetite vahel ja on asetatud magnetekraanile, mis sulgeb püsivate magnetite tekitatud magnetvoo ja kaitseb seadet välistest magnetväljadest. Plaat on paigutatud 2,5 kraadise nurga all, mis loob väikese nihke välja, mis on suunatud nurga suunas. See väli on võrreldes mähiste väljadega väga väike ega takista mullide liikumist seadme töötamise ajal, kuid nihutab mullid fikseeritud positsioonidesse võrreldes permalloelementidega, kui seade on välja lülitatud. Tugev risti magnetväli toetab mullide magnetdomeenide olemasolu.

Moodul sisaldab järgmisi mooduleid:

Mälu jäljed. Just need jäljed permallalelementidest, mis hoiavad ja suunavad mudeleid.
Replikatsiooni generaator. Teenib mudeli replikatsiooni, mis on pidevalt kohal genereerimispaigas.
Sisendjälg ja vahetuspunktid. Genereeritud mudelid liiguvad piki sisendjälge. Mudelid liiguvad ühte 80 alamjäljest.
Väljundjälg ja replikatsioonipunkt. Mudelid loetakse andmepunktidest välja ilma nende hävitamiseta. Mudel jaguneb kaheks osaks ja üks neist suunatakse väljundjäljele.
Detsensor. Mudelid väljundjäljest satuvad magnetresistivasse detektorisse.
Laadimisjälg. Laadimisjälg sisaldab teavet aktiivsete ja mitteaktiivsete andmejälgede kohta.

Allpool vaatame neid punkte lähemalt. Samuti võite tutvuda nende punktide kirjeldusega [6].

Mudelei generatsioon

Mudeli genereerimiseks on sisendjälje alguses juht, mis on kõverdatud väikese silmuse kujule. Sellele antakse voolupidamine, mis loob väga väikeses piirkonnas magnetvälja, mis on tugevam kui alaliste magnetite väli. Impulsile järgneb mudeli tekkimine, mis püsib pidevalt alalise magnetvälja toetusel ja tsirkuleerib permallalelementi pöörleva magnetvälja all. Kui peame salvestama ühe mälus, anname juhtivale silmusele lühikese impulsi ning tulemuseks on kahe mudeli sünd. Üks mudel liigub pöörleva väljaga piki permallajälge, teine jääb paigale ja omandab kiiresti oma algse suuruse. Seejärel liigub ta ühte alajälge ja vahetab oma koha mudeliga, mis tsirkuleerib selles. See omakorda jõuab sisendjälje lõppu ja kaob.

Mudelei vahetus

Mudelei vahetus toimub siis, kui vastavasse juhtrisse antakse ristkülikukujuline voolupulss. Sel juhul ei toimu mudeli jagunemist kaheks osaks.

Andmete lugemine

Andmed suunatakse väljundrajale replikatsiooni teel ning jätkavad oma rajal ringlemist pärast lugemist. Seega on seadmes rakendatud kahjustamata lugemise meetod. Replikatsiooni jaoks suunatakse mullikujuline element pikaelemendi all, mille all see venib. Peal on ka silmus kujul juhtme, kui vooluhulk antakse silmusesse, jaguneb mull kahte osa. Vooluhulk koosneb lühikesest ja tugevalt voolavast osast, et jagada mull kahte osa, ja pikemast osast nõrgema voolu jaoks, et suunata mull väljundrajale.

Väljundrajale lõpus on mullidetektor, magnetoresistiivne sild, mis on valmistatud permalloy elementidest, moodustades pika ahela. Kui magnetmull satub permalloy elemendi alla, muutub selle takistus ja silla väljundis ilmneb mõned millivoldise potentsiaali erinevus. Permalloy elementide kuju on sobitatud nii, et mull liigub nende mööda; lõpus satub see spetsiaalsele 'kaitse' bussile ja kaob.

Üksus

Seade sisaldab 320 rada, igaühes 4096 bitti. Nendest on 272 aktiivset, 48 varu ja mitteaktiivset.

Käivitustee (Boot Loop)

Seade sisaldab 320 andmete rada, millest 256 on mõeldud kasutajandmete salvestamiseks, teised võivad olla vigased või varuuksused tõrke korral. Üks lisaraja sisaldab teavet andmete rajade kasutamise kohta, 12 bitti iga raja kohta. Kui süsteemile antakse toide, peab see olema aktiveeritud. Aktivatsiooni ajal peab kontroller lugema käivitustee ja salvestama teabe sellest spetsiaalsesse registeri vormimise/sensoriga. Siis kasutab kontroller ainult aktiivseid radu, mitteaktiivne jäetakse tähelepanuta ja sellele ei salvestata.

Andmestruktuur

Kasutaja vaatenurgast salvestatakse andmed 2048 leheküljel, igaühes 512 bitti. 256 baitide andmeid, 14 bitti veakontrolli koodi ja 2 kasutamata bitti salvestatakse iga seadme pooles.

Veakontroll

Vea ja parandamine võib toimuda vooluanduri kiibi kaudu, mis sisaldab 14-bitise koodekraaneri, mis parandab ühekordset viga kuni 5 bitti (katkestusviga) igas 270 bitti plokis (sealhulgas ise kood). Kood lisatakse iga 256-biti ploki lõppu. Korrektuurikoodi saab kasutada või mitte kasutada, kasutaja soovil, koodikontrolli saab aktiveerida või deaktiveerida kontrolleris. Kui koodi ei kasutata, võivad kõik 270 bitti olla kasutajate jaoks.

Ligikaudne aeg

Magneetiline väli pöörleb sagedusel 50 kHz. Esimese lehe esimese bitti keskmine ligikaudne aeg on 41 ms, mis on poole ajast, mis on vajalik täieliku tsükli läbimiseks rajal, pluss aeg väljundrajale läbimiseks.

320 aktiivset ja varu rada on jagatud neljaks osaks, igaühes 80 rada. Selline korraldus vähendab ligikaudset aega. Veerandid on adresseeritud paaridena: iga paari veerand koosneb vastavalt paaritumis- ja paaritusvabadest bittidest. Seade sisaldab nelja sissetulevat rada nelja algse mulliga ja nelja väljundraja. Väljundrajad kasutavad kaht detektorit, et tagada, et ühtegi detektorit ei satu kunagi kahte mullit kahest rajast korraga. Seega muldude neli voolu on multiplexitud ja muudetud kaheks bitivooguks ning talletatud vooluanduri registrites. Seal registreerimise sisu multiplexitakse uuesti ja jõuab järjestikuse liidese kaudu kontrollerisse.

Artikli teises osas käsitleme põhjalikumalt mullimälu kontrolleri skeemitehnikat.