बेलनाकार चुंबकीय डोमेन पर मेमोरी। भाग 1. यह कैसे काम करता है

लेखक के संग्रह से फोटो

1. इतिहास

बबल मेमोरी, या बेलनाकार चुंबकीय डोमेन मेमोरी, एक गैर-वाष्पशील मेमोरी है जिसे 1967 में एंड्रयू बोबेक द्वारा बेल लैब्स में विकसित किया गया था। अध्ययनों से पता चला है कि छोटे बेलनाकार चुंबकीय डोमेन फेराइट्स और गार्नेट की एकल-क्रिस्टल पतली फिल्मों में बनते हैं जब पर्याप्त रूप से मजबूत चुंबकीय क्षेत्र को फिल्म की सतह पर लंबवत निर्देशित किया जाता है। चुंबकीय क्षेत्र को बदलकर इन बुलबुलों को हिलाया जा सकता है। ऐसे गुण चुंबकीय बुलबुले को शिफ्ट रजिस्टर की तरह सीरियल बिट स्टोरेज के निर्माण के लिए आदर्श बनाते हैं, जिसमें एक निश्चित स्थिति में बुलबुले की उपस्थिति या अनुपस्थिति शून्य या एक बिट मान इंगित करती है। बुलबुले का व्यास एक माइक्रोन का दसवां हिस्सा है, और एक चिप हजारों बिट डेटा संग्रहीत कर सकती है। इसलिए, उदाहरण के लिए, 1977 के वसंत में, टेक्सास इंस्ट्रूमेंट्स ने पहली बार 92304 बिट्स की क्षमता वाली एक चिप बाजार में पेश की। यह मेमोरी गैर-वाष्पशील होती है, जो इसे चुंबकीय टेप या डिस्क के समान बनाती है, लेकिन क्योंकि यह ठोस अवस्था में होती है और इसमें कोई हिलने वाला भाग नहीं होता है, यह टेप या डिस्क की तुलना में अधिक विश्वसनीय होती है, इसके लिए किसी रखरखाव की आवश्यकता नहीं होती है, और यह बहुत छोटी और हल्की होती है।, और पोर्टेबल उपकरणों में उपयोग किया जा सकता है।

प्रारंभ में, बबल मेमोरी के आविष्कारक, एंड्रयू बोबेक ने मेमोरी का एक "एक-आयामी" संस्करण प्रस्तावित किया, एक धागे के रूप में जिसके चारों ओर लौहचुंबकीय सामग्री की एक पतली पट्टी लपेटी जाती है। ऐसी मेमोरी को "ट्विस्टर" मेमोरी कहा जाता था, और इसका बड़े पैमाने पर उत्पादन भी किया जाता था, लेकिन जल्द ही इसे "द्वि-आयामी" संस्करण द्वारा प्रतिस्थापित कर दिया गया।

आप बबल मेमोरी के निर्माण के इतिहास के बारे में [1-3] में पढ़ सकते हैं।

2. परिचालन सिद्धांत

यहां मैं आपसे मुझे क्षमा करने के लिए कहता हूं, मैं भौतिक विज्ञानी नहीं हूं, इसलिए प्रस्तुति बहुत अनुमानित होगी।

कुछ सामग्रियों (जैसे गैडोलीनियम गैलियम गार्नेट) में केवल एक ही दिशा में चुम्बकित होने का गुण होता है, और यदि इस अक्ष के साथ एक स्थिर चुंबकीय क्षेत्र लगाया जाता है, तो चुम्बकित क्षेत्र बुलबुले जैसा कुछ बना देंगे, जैसा कि नीचे दिए गए चित्र में दिखाया गया है। प्रत्येक बुलबुले का व्यास केवल कुछ माइक्रोन है।

मान लीजिए कि हमारे पास गैर-चुंबकीय, जैसे कांच, सब्सट्रेट पर जमा की गई ऐसी सामग्री की 0,001 इंच की पतली, क्रिस्टलीय फिल्म है।

यह सब जादुई बुलबुले के बारे में है। बाईं ओर का चित्र - कोई चुंबकीय क्षेत्र नहीं है, दाईं ओर का चित्र - चुंबकीय क्षेत्र फिल्म की सतह पर लंबवत निर्देशित है।

यदि ऐसी सामग्री की फिल्म की सतह पर एक चुंबकीय सामग्री से एक पैटर्न बनता है, उदाहरण के लिए, पर्मलोय, एक लौह-निकल मिश्र धातु, तो बुलबुले इस पैटर्न के तत्वों के लिए चुंबकीय हो जाएंगे। आमतौर पर, टी-आकार या वी-आकार के तत्वों के रूप में पैटर्न का उपयोग किया जाता है।

एक एकल बुलबुला 100-200 ओर्स्टेड के चुंबकीय क्षेत्र द्वारा बनाया जा सकता है, जो चुंबकीय फिल्म के लंबवत लगाया जाता है और एक स्थायी चुंबक द्वारा बनाया जाता है, और XY दिशाओं में दो कॉइल्स द्वारा गठित एक घूर्णन चुंबकीय क्षेत्र, आपको स्थानांतरित करने की अनुमति देता है बबल-डोमेन एक चुंबकीय "द्वीप" से दूसरे चुंबकीय "द्वीप" तक, जैसा कि चित्र में दिखाया गया है। चुंबकीय क्षेत्र की दिशा में चार गुना बदलाव के बाद, डोमेन एक द्वीप से दूसरे द्वीप तक चला जाएगा।

यह सब हमें सीएमडी डिवाइस को शिफ्ट रजिस्टर के रूप में मानने की अनुमति देता है। यदि हम रजिस्टर के एक छोर पर बुलबुले बनाते हैं और दूसरे पर उनका पता लगाते हैं, तो हम चारों ओर बुलबुले के एक निश्चित पैटर्न को उड़ा सकते हैं और सिस्टम को मेमोरी डिवाइस के रूप में उपयोग कर सकते हैं, निश्चित समय पर बिट्स को पढ़ और लिख सकते हैं।

यहां से सीएमडी मेमोरी के फायदे और नुकसान का पालन करें: लाभ ऊर्जा स्वतंत्रता है (जब तक स्थायी चुंबक द्वारा बनाए गए लंबवत क्षेत्र को लागू किया जाता है, बुलबुले कहीं भी गायब नहीं होंगे और अपनी स्थिति से नहीं हटेंगे), और नुकसान एक है लंबी पहुंच का समय, क्योंकि एक मनमाना बिट तक पहुंचने के लिए, आपको पूरे शिफ्ट रजिस्टर को वांछित स्थिति में स्क्रॉल करना होगा, और यह जितना लंबा होगा, उतने अधिक चक्रों की आवश्यकता होगी।

सीएमडी चुंबकीय फिल्म पर चुंबकीय तत्वों का पैटर्न।

एक चुंबकीय डोमेन के निर्माण को अंग्रेजी में "न्यूक्लिएशन" कहा जाता है, और इसमें यह तथ्य शामिल होता है कि लगभग 100 एनएस के समय के लिए कई सौ मिलीएम्प्स की धारा को वाइंडिंग पर लागू किया जाता है, और एक चुंबकीय क्षेत्र बनाया जाता है जो कि लंबवत होता है फिल्म और एक स्थायी चुंबक के क्षेत्र के विपरीत। यह एक चुंबकीय "बुलबुला" बनाता है - फिल्म में एक बेलनाकार चुंबकीय डोमेन। यह प्रक्रिया, दुर्भाग्य से, तापमान पर अत्यधिक निर्भर है, यह संभव है कि लिखने का कार्य बिना बुलबुला बने विफल हो जाए, या कई बुलबुले बन जाएं।

किसी फिल्म से डेटा पढ़ने के लिए कई तकनीकों का उपयोग किया जाता है।

एक तरीका, गैर-विनाशकारी रीडिंग, मैग्नेटोरेसिस्टिव सेंसर का उपयोग करके बेलनाकार डोमेन के कमजोर चुंबकीय क्षेत्र का पता लगाना है।

दूसरा तरीका विनाशकारी पढ़ना है। बुलबुले को एक विशेष पीढ़ी/पहचान ट्रैक की ओर निर्देशित किया जाता है, जहां सामग्री के आगे चुंबकीयकरण द्वारा बुलबुले को नष्ट कर दिया जाता है। यदि सामग्री को उल्टा चुम्बकित किया गया था, यानी एक बुलबुला मौजूद था, तो इससे कुंडल में अधिक धारा उत्पन्न होगी और इलेक्ट्रॉनिक सर्किटरी द्वारा इसका पता लगाया जाएगा। उसके बाद, बुलबुले को एक विशेष रिकॉर्डिंग ट्रैक पर फिर से उत्पन्न किया जाना चाहिए।


हालाँकि, यदि मेमोरी को एक सन्निहित सरणी के रूप में व्यवस्थित किया जाता है, तो इसमें दो बड़ी कमियाँ होंगी। सबसे पहले, पहुंच का समय बहुत लंबा होगा। दूसरे, श्रृंखला में एक भी दोष पूरे उपकरण की पूर्ण निष्क्रियता को जन्म देगा। इसलिए, वे एक मेमोरी को एक मुख्य ट्रैक और कई अधीनस्थ ट्रैक के रूप में व्यवस्थित करते हैं, जैसा कि चित्र में दिखाया गया है।

एक सतत ट्रैक के साथ बबल मेमोरी

मास्टर/स्लेव ट्रैक के साथ बबल मेमोरी

ऐसा मेमोरी कॉन्फ़िगरेशन न केवल एक्सेस समय को काफी कम करने की अनुमति देता है, बल्कि एक निश्चित संख्या में दोषपूर्ण ट्रैक वाले मेमोरी डिवाइस के उत्पादन की भी अनुमति देता है। मेमोरी कंट्रोलर को उन्हें ध्यान में रखना चाहिए और पढ़ने/लिखने के संचालन के दौरान उन्हें बायपास करना चाहिए।

नीचे दिया गया चित्र बबल मेमोरी "चिप" का क्रॉस-सेक्शन दिखाता है।

आप बबल मेमोरी के सिद्धांत के बारे में [4] में भी पढ़ सकते हैं।

3। इंटेल 7110

इंटेल 7110 - बबल मेमोरी मॉड्यूल, एमबीएम (मैग्नेटिक-बबल मेमोरी) 1 एमबी (1048576 बिट्स) की क्षमता के साथ। यह वह है जिसे केडीपीवी पर दर्शाया गया है। 1 मेगाबिट उपयोगकर्ता डेटा संग्रहीत करने की क्षमता है, अनावश्यक ट्रैक को ध्यान में रखते हुए, कुल क्षमता 1310720 बिट है। डिवाइस में 320 बिट्स की क्षमता वाले 4096 लूप ट्रैक (लूप) हैं, लेकिन उनमें से केवल 256 का उपयोग उपयोगकर्ता डेटा के लिए किया जाता है, बाकी "टूटे हुए" ट्रैक को बदलने और अनावश्यक त्रुटि सुधार कोड को संग्रहीत करने के लिए आरक्षित है। डिवाइस में एक प्रमुख ट्रैक-माइनर लूप आर्किटेक्चर है। सक्रिय ट्रैक के बारे में जानकारी एक अलग बूट ट्रैक (बूटस्ट्रैप लूप) में निहित है। केडीपीवी पर, आप सीधे मॉड्यूल पर मुद्रित हेक्साडेसिमल कोड देख सकते हैं। यह "टूटे हुए" ट्रैक्स का मानचित्र है, 80 हेक्साडेसिमल अंक 320 डेटा ट्रैक्स का प्रतिनिधित्व करते हैं, सक्रिय ट्रैक्स को एक बिट द्वारा दर्शाया जाता है, निष्क्रिय ट्रैक्स को शून्य द्वारा दर्शाया जाता है।

आप मॉड्यूल के लिए मूल दस्तावेज़ [7] में पढ़ सकते हैं।

डिवाइस में पिन की दोहरी-पंक्ति व्यवस्था वाला एक केस है और इसे सोल्डरिंग (सॉकेट में) के बिना लगाया गया है।

मॉड्यूल की संरचना चित्र में दिखाई गई है:

मेमोरी ऐरे को दो "आधा खंड" (आधा खंड) में विभाजित किया गया है, जिनमें से प्रत्येक को दो "क्वार्टर" (क्वाड) में विभाजित किया गया है, प्रत्येक तिमाही में 80 स्लेव ट्रैक हैं। मॉड्यूल में दो ऑर्थोगोनल वाइंडिंग्स के अंदर स्थित चुंबकीय सामग्री वाली एक प्लेट होती है जो एक घूर्णन चुंबकीय क्षेत्र बनाती है। ऐसा करने के लिए, त्रिकोणीय आकार के वर्तमान सिग्नल, एक दूसरे के सापेक्ष 90 डिग्री से विस्थापित होकर, वाइंडिंग पर लागू होते हैं। प्लेट और वाइंडिंग्स के संयोजन को स्थायी चुम्बकों के बीच रखा जाता है और एक चुंबकीय ढाल में रखा जाता है जो स्थायी चुम्बकों द्वारा उत्पन्न चुंबकीय प्रवाह को बंद कर देता है और डिवाइस को बाहरी चुंबकीय क्षेत्रों से बचाता है। प्लेट को 2,5 डिग्री ढलान पर रखा गया है, जो ढलान के साथ एक छोटा विस्थापन क्षेत्र बनाता है। यह क्षेत्र कॉइल के क्षेत्र की तुलना में नगण्य है, और डिवाइस के संचालन के दौरान बुलबुले की गति में हस्तक्षेप नहीं करता है, लेकिन डिवाइस बंद होने पर बुलबुले को पर्मालॉय तत्वों के सापेक्ष निश्चित स्थिति में स्थानांतरित कर देता है। स्थायी चुम्बकों का मजबूत लंबवत घटक बुलबुला चुंबकीय डोमेन के अस्तित्व का समर्थन करता है।

मॉड्यूल में निम्नलिखित नोड हैं:

1. मेमोरी ट्रैक. सीधे पर्मलॉय तत्वों के वे ट्रैक जो बुलबुले को पकड़ते हैं और मार्गदर्शन करते हैं।
2. प्रतिकृति जनरेटर. बुलबुले की प्रतिकृति के लिए कार्य करता है, जो पीढ़ी के स्थान पर लगातार मौजूद रहता है।
3. इनपुट ट्रैक और एक्सचेंज नोड्स। उत्पन्न बुलबुले इनपुट ट्रैक के साथ चलते हैं। बुलबुले को 80 स्लेव ट्रैकों में से एक में ले जाया जाता है।
4. आउटपुट ट्रैक और प्रतिकृति नोड। बुलबुले को नष्ट किए बिना डेटा ट्रैक से हटा दिया जाता है। बुलबुला दो भागों में विभाजित हो जाता है, और उनमें से एक आउटपुट ट्रैक पर चला जाता है।
5. डिटेक्टर. आउटपुट ट्रैक से बुलबुले मैग्नेटोरेसिस्टिव डिटेक्टर में प्रवेश करते हैं।
6. ट्रैक लोड हो रहा है. बूट ट्रैक में सक्रिय और निष्क्रिय डेटा ट्रैक के बारे में जानकारी होती है।

नीचे हम इन नोड्स को अधिक विस्तार से देखेंगे। आप इन नोड्स का विवरण [6] में भी पढ़ सकते हैं।

बुलबुला पीढ़ी

एक बुलबुला उत्पन्न करने के लिए, इनपुट ट्रैक की शुरुआत में एक छोटे लूप के रूप में एक कंडक्टर मुड़ा हुआ होता है। इस पर एक करंट पल्स लगाया जाता है, जो बहुत छोटे क्षेत्र में स्थायी चुंबक के क्षेत्र से भी अधिक मजबूत चुंबकीय क्षेत्र बनाता है। आवेग इस बिंदु पर एक बुलबुला बनाता है, जो एक निरंतर चुंबकीय क्षेत्र द्वारा स्थायी रूप से बनाए रखा जाता है और एक घूर्णन चुंबकीय क्षेत्र की कार्रवाई के तहत पर्मलोय तत्व के साथ घूमता है। यदि हमें मेमोरी में एक इकाई लिखने की आवश्यकता है, तो हम कंडक्टिंग लूप पर एक छोटी पल्स लागू करते हैं, और परिणामस्वरूप, दो बुलबुले पैदा होते हैं (चित्र में बबल स्प्लिट सीड के रूप में दर्शाया गया है)। बुलबुले में से एक को पर्मालॉय ट्रैक के साथ घूमते हुए क्षेत्र द्वारा ले जाया जाता है, दूसरा स्थान पर बना रहता है और जल्दी से अपना मूल आकार प्राप्त कर लेता है। फिर यह स्लेव ट्रैक में से एक पर चला जाता है, और उसमें घूमने वाले बुलबुले के साथ स्थानों की अदला-बदली करता है। बदले में, यह इनपुट ट्रैक के अंत तक पहुंचता है और गायब हो जाता है।

बुलबुला विनिमय

बबल एक्सचेंज तब होता है जब एक आयताकार करंट पल्स को संबंधित कंडक्टर पर लागू किया जाता है। इस स्थिति में, बुलबुला दो भागों में विभाजित नहीं होता है।

डेटा पढ़ना

डेटा को प्रतिकृति द्वारा आउटपुट ट्रैक पर भेजा जाता है, और पढ़ने के बाद उसके ट्रैक में प्रसारित होता रहता है। इस प्रकार, यह उपकरण पढ़ने की एक गैर-विनाशकारी विधि लागू करता है। दोहराने के लिए, बुलबुले को एक लम्बे पर्मलॉय तत्व के नीचे निर्देशित किया जाता है, जिसके नीचे यह फैला हुआ होता है। ऊपर एक लूप के रूप में एक कंडक्टर भी है, यदि लूप पर एक करंट पल्स लगाया जाता है, तो बुलबुला दो भागों में विभाजित हो जाएगा। वर्तमान पल्स में बुलबुले को दो भागों में विभाजित करने के लिए उच्च धारा वाला एक छोटा खंड होता है, और बुलबुले को निकास पथ पर निर्देशित करने के लिए कम धारा वाला एक लंबा खंड होता है।

आउटपुट ट्रैक के अंत में बबल डिटेक्टर है, जो एक लंबे सर्किट का निर्माण करने वाले पर्मालोय तत्वों से बना एक मैग्नेटोरेसिस्टिव ब्रिज है। जब एक चुंबकीय बुलबुला एक पर्मालोय तत्व के नीचे गिरता है, तो इसका प्रतिरोध बदल जाता है, और पुल के आउटपुट पर कई मिलीवोल्ट का संभावित अंतर दिखाई देता है। पर्मालॉय तत्वों का आकार इसलिए चुना जाता है ताकि बुलबुला उनके साथ चलता रहे, अंत में यह एक विशेष "गार्ड" टायर से टकराता है और गायब हो जाता है।

फालतूपन

डिवाइस में 320 ट्रैक हैं, प्रत्येक 4096 बिट्स के साथ। इनमें से 272 सक्रिय, 48 अतिरिक्त, निष्क्रिय हैं।

बूट ट्रैक (बूट लूप)

डिवाइस में 320 डेटा ट्रैक हैं, जिनमें से 256 उपयोगकर्ता डेटा संग्रहीत करने के लिए हैं, बाकी दोषपूर्ण हो सकते हैं या दोषपूर्ण ट्रैक को बदलने के लिए स्पेयर के रूप में काम कर सकते हैं। एक अतिरिक्त ट्रैक में डेटा ट्रैक के उपयोग के बारे में जानकारी होती है, प्रति ट्रैक 12 बिट्स। जब सिस्टम चालू हो, तो इसे आरंभीकृत किया जाना चाहिए। आरंभीकरण प्रक्रिया के दौरान, नियंत्रक को बूट ट्रैक को पढ़ना होगा और उसमें से फ़ॉर्मेटिंग चिप/वर्तमान सेंसर के एक विशेष रजिस्टर में जानकारी लिखनी होगी। तब नियंत्रक केवल सक्रिय ट्रैक का उपयोग करेगा, और निष्क्रिय ट्रैक को अनदेखा कर दिया जाएगा और उन पर लिखा नहीं जाएगा।

डेटा वेयरहाउस - संरचना

उपयोगकर्ता के दृष्टिकोण से, डेटा 2048 बिट्स के 512 पृष्ठों में संग्रहीत है। डिवाइस के प्रत्येक आधे हिस्से में 256 बाइट्स डेटा, 14 बिट्स त्रुटि सुधार कोड और 2 अप्रयुक्त बिट्स संग्रहीत हैं।

त्रुटि सुधार

त्रुटि का पता लगाना और सुधार एक वर्तमान सेंसर चिप द्वारा किया जा सकता है, जिसमें एक 14-बिट कोड डिकोडर होता है जो 5 बिट्स (कोड सहित) के प्रत्येक ब्लॉक में 270 बिट लंबी (बर्स्ट एरर) तक की एक त्रुटि को ठीक करता है। कोड प्रत्येक 256-बिट ब्लॉक के अंत में जोड़ा जाता है। सुधार कोड का उपयोग किया जा सकता है या नहीं किया जा सकता है, उपयोगकर्ता के अनुरोध पर नियंत्रक में कोड सत्यापन चालू या बंद किया जा सकता है। यदि कोई कोड उपयोग नहीं किया जाता है, तो सभी 270 बिट्स का उपयोग उपयोगकर्ता डेटा के लिए किया जा सकता है।

पहूंच समय

चुंबकीय क्षेत्र 50 kHz की आवृत्ति पर घूमता है। पहले पृष्ठ के पहले बिट तक औसत पहुंच समय 41 एमएस है, जो ट्रैक के माध्यम से एक पूर्ण चक्र पूरा करने में लगने वाले समय और आउटपुट ट्रैक से गुजरने में लगने वाले समय का आधा है।

320 सक्रिय और अतिरिक्त ट्रैकों को 80 ट्रैकों के चार भागों में विभाजित किया गया है। यह संगठन पहुंच समय को कम कर देता है. क्वार्टरों को जोड़े में संबोधित किया जाता है: क्वार्टरों के प्रत्येक जोड़े में क्रमशः शब्द के सम और विषम अंश होते हैं। डिवाइस में चार प्रारंभिक बबल के साथ चार इनपुट ट्रैक और चार आउटपुट ट्रैक हैं। आउटपुट ट्रैक दो डिटेक्टरों का उपयोग करते हैं, उन्हें इस तरह से व्यवस्थित किया जाता है कि दो ट्रैक से दो बुलबुले एक ही समय में एक डिटेक्टर से नहीं टकराते। इस प्रकार, चार बबल स्ट्रीम को मल्टीप्लेक्स किया जाता है और दो बिट स्ट्रीम में परिवर्तित किया जाता है और वर्तमान सेंसर चिप के रजिस्टरों में संग्रहीत किया जाता है। वहां, रजिस्टरों की सामग्री को फिर से मल्टीप्लेक्स किया जाता है और सीरियल इंटरफ़ेस के माध्यम से नियंत्रक को भेजा जाता है।

लेख के दूसरे भाग में, हम बबल मेमोरी कंट्रोलर की सर्किटरी पर करीब से नज़र डालेंगे।

4. सन्दर्भ

लेखक ने नेटवर्क के सबसे अंधेरे कोनों में पाया और आपके लिए सीएमडी, इसके इतिहास और अन्य संबंधित पहलुओं पर मेमोरी पर बहुत सारी उपयोगी तकनीकी जानकारी सहेजी:

1. https://old.computerra.ru/vision/621983/ - इंजीनियर बोबेक की दो यादें
2. https://old.computerra.ru/vision/622225/ - इंजीनियर बोबेक की दो यादें (भाग 2)
3. http://www.wikiwand.com/en/Bubble_memory - बबल मेमोरी
4. https://cloud.mail.ru/public/3qNi/33LMQg8Fn एक मानक माइक्रो कंप्यूटर वातावरण में चुंबकीय बबल मेमोरी का अनुकूलन
5. https://cloud.mail.ru/public/4YgN/ujdGWtAXf — टेक्सास इंस्ट्रूमेंट्स टीआईबी 0203 बबल मेमोरी
6. https://cloud.mail.ru/public/4PRV/5qC4vyjLa - मेमोरी कंपोनेंट्स हैंडबुक। इंटेल 1983.
7. https://cloud.mail.ru/public/4Mjv/41Xrp4Rii 7110 1-मेगाबिट बबल मेमोरी

स्रोत: www.habr.com