Fotografija iz autorove zbirke
1. Priča
Bubble memory, ili cilindrična memorija magnetske domene, trajna je memorija koju je 1967. u Bell Labsu razvio Andrew Bobeck. Studije su pokazale da se male cilindrične magnetske domene formiraju u monokristalnim tankim filmovima ferita i granata kada je dovoljno jako magnetsko polje usmjereno okomito na površinu filma. Promjenom magnetskog polja ti se mjehurići mogu pomicati. Takva svojstva čine magnetske mjehuriće idealnima za izgradnju sekvencijalnog spremišta bitova, poput registra pomaka, u kojem prisutnost ili odsutnost mjehurića na određenom položaju označava vrijednost nula ili jedan bit. Promjer mjehurića je desetinke mikrona, a jedan čip može pohraniti tisuće bitova podataka. Tako je, primjerice, u proljeće 1977. Texas Instruments prvi na tržište predstavio čip kapaciteta 92304 bita. Ova memorija je trajna, što je čini sličnom magnetskoj vrpci ili disku, ali budući da je u čvrstom stanju i ne sadrži pomične dijelove, pouzdanija je od trake ili diska, ne zahtijeva održavanje i puno je manja i lakša. , a može se koristiti u prijenosnim uređajima.
U početku je izumitelj bubble memorije Andrew Bobek predložio "jednodimenzionalnu" verziju memorije, u obliku niti oko koje je omotana tanka traka feromagnetskog materijala. Takva memorija nazvana je "twistor" memorija, i čak se masovno proizvodila, ali ju je ubrzo zamijenila "dvodimenzionalna" verzija.
O povijesti nastanka bubble memory možete pročitati u [1-3].
2. Princip rada
Ovdje vas molim da mi oprostite, nisam fizičar pa će prikaz biti vrlo okviran.
Neki materijali (kao što je gadolinij galij granat) imaju svojstvo magnetiziranja samo u jednom smjeru, a ako se konstantno magnetsko polje primijeni duž ove osi, magnetizirana područja će formirati nešto poput mjehurića, kao što je prikazano na donjoj slici. Svaki mjehurić ima samo nekoliko mikrona u promjeru.
Pretpostavimo da imamo tanak, reda veličine 0,001 inča, kristalni film takvog materijala položen na nemagnetsku podlogu, poput stakla.
Sve se vrti oko čarobnih mjehurića. Slika lijevo - nema magnetskog polja, slika desno - magnetsko polje je usmjereno okomito na površinu filma.
Ako se na površini filma takvog materijala formira uzorak od magnetskog materijala, na primjer, permaloja, legure željeza i nikla, tada će mjehurići biti magnetizirani na elemente ovog uzorka. Obično se koriste uzorci u obliku elemenata u obliku slova T ili V.
Jedan mjehurić može nastati pomoću magnetskog polja od 100-200 oersteda, koje se primjenjuje okomito na magnetski film i stvara ga trajni magnet, a rotirajuće magnetsko polje formirano od dvije zavojnice u smjeru XY, omogućuje vam kretanje domene mjehurića s jednog magnetskog "otoka" na drugi, kao što je prikazano na slici. Nakon četverostruke promjene smjera magnetskog polja, domena će se pomaknuti s jednog otoka na drugi.
Sve to nam omogućuje da CMD uređaj smatramo pomačnim registrom. Ako formiramo mjehuriće na jednom kraju registra i otkrijemo ih na drugom, tada možemo ispuhati određeni uzorak mjehurića i koristiti sustav kao memorijski uređaj, čitajući i zapisujući bitove u određeno vrijeme.
Odavde slijede prednosti i nedostaci CMD memorije: prednost je energetska neovisnost (sve dok je primijenjeno okomito polje koje stvaraju permanentni magneti, mjehurići neće nigdje nestati i neće se pomaknuti sa svojih pozicija), a nedostatak je dugo vrijeme pristupa, jer da biste pristupili proizvoljnom bitu, trebate pomaknuti cijeli registar posmaka na željenu poziciju, a što je duži, to će zahtijevati više ciklusa.
Uzorak magnetskih elemenata na CMD magnetskom filmu.
Stvaranje magnetske domene se na engleskom naziva "nucleation", a sastoji se u tome da se na namot dovodi struja od nekoliko stotina miliampera u vremenu od oko 100 ns, te se stvara magnetsko polje koje je okomito na filma i suprotno od polja stalnog magneta. To stvara magnetski "mjehurić" - cilindričnu magnetsku domenu u filmu. Proces, nažalost, jako ovisi o temperaturi, moguće je da operacija pisanja ne uspije bez stvaranja mjehurića ili da se stvori više mjehurića.
Za čitanje podataka s filma koristi se nekoliko tehnika.
Jedan način, nedestruktivno očitavanje, je otkrivanje slabog magnetskog polja cilindrične domene pomoću magnetorezistivnog senzora.
Drugi način je destruktivno čitanje. Mjehurić se odvodi na posebnu stazu za generiranje/detekciju, gdje se mjehurić uništava magnetiziranjem materijala naprijed. Ako je materijal obrnuto magnetiziran, tj. prisutan je mjehurić, to bi uzrokovalo više struje u zavojnici i to bi detektirao elektronički sklop. Nakon toga, mjehurić se mora ponovno generirati na posebnoj stazi za snimanje.
Međutim, ako je memorija organizirana kao jedan kontinuirani niz, tada će imati dva velika nedostatka. Prvo, vrijeme pristupa će biti jako dugo. Drugo, jedan kvar u lancu dovest će do potpune neoperabilnosti cijelog uređaja. Stoga čine memoriju organiziranu u obliku jedne glavne staze i mnogo podređenih staza, kao što je prikazano na slici.
Bubble memory s jednom neprekidnom stazom
Bubble memory s master/slave stazama
Takva konfiguracija memorije omogućuje ne samo značajno smanjenje vremena pristupa, već također omogućuje proizvodnju memorijskih uređaja koji sadrže određeni broj neispravnih zapisa. Memorijski kontroler ih mora uzeti u obzir i zaobići ih tijekom operacija čitanja/pisanja.
Donja slika prikazuje presjek "čipa" mjehuraste memorije.
Također možete pročitati o principu bubble memory u [4, 5].
3. Intel 7110
Intel 7110 - bubble memorijski modul, MBM (magnetic-bubble memory) kapaciteta 1 MB (1048576 bita). Upravo je on prikazan na KDPV-u. 1 megabit je kapacitet pohrane korisničkih podataka, uzimajući u obzir redundantne staze, ukupni kapacitet je 1310720 bita. Uređaj sadrži 320 staza u petlji (petlji) kapaciteta 4096 bita svaka, ali samo 256 od njih se koristi za korisničke podatke, ostatak je rezerva za zamjenu "pokvarenih" staza i za pohranjivanje redundantnog koda za ispravljanje pogrešaka. Uređaj ima arhitekturu velika staza-sporedna petlja. Informacije o aktivnim stazama sadržane su u zasebnoj stazi za pokretanje (bootstrap petlja). Na KDPV-u možete vidjeti heksadecimalni kod ispisan na samom modulu. Ovo je mapa "pokvarenih" staza, 80 heksadecimalnih znamenki predstavlja 320 staza podataka, aktivne su predstavljene jednim bitom, neaktivne nulom.
Izvornu dokumentaciju za modul možete pročitati u [7].
Uređaj ima kućište s dvorednim rasporedom pinova i montira se bez lemljenja (u utičnicu).
Struktura modula prikazana je na slici:
Memorijski niz je podijeljen na dvije "polusekcije" (half sections), od kojih je svaka podijeljena na dvije "četvrtine" (quads), svaka četvrtina ima 80 podređenih staza. Modul sadrži ploču s magnetskim materijalom smještenu unutar dva ortogonalna namota koji stvaraju rotirajuće magnetsko polje. Da biste to učinili, na namote se primjenjuju strujni signali trokutastog oblika, pomaknuti za 90 stupnjeva jedan u odnosu na drugi. Sklop ploče i namota smješten je između trajnih magneta i smješten u magnetski štit koji zatvara magnetski tok koji stvaraju trajni magneti i štiti uređaj od vanjskih magnetskih polja. Ploča je postavljena pod nagibom od 2,5 stupnjeva, što stvara malo polje pomaka uz kosinu. Ovo polje je zanemarivo u usporedbi s poljem zavojnica i ne ometa kretanje mjehurića tijekom rada uređaja, ali pomiče mjehuriće u fiksne položaje u odnosu na elemente od permaloja kada je uređaj isključen. Snažna okomita komponenta trajnih magneta podupire postojanje mjehurastih magnetskih domena.
Modul sadrži sljedeće čvorove:
- Tragovi pamćenja. Izravno one staze permalloy elemenata koji drže i vode mjehuriće.
- generator replikacije. Služi za replikaciju mjehurića koji je stalno prisutan na mjestu nastanka.
- Ulazni trag i razmjena čvorova. Generirani mjehurići kreću se duž ulazne staze. Mjehurići se premještaju na jednu od 80 podređenih staza.
- Izlazna staza i replikacijski čvor. Mjehurići se oduzimaju od tragova podataka bez njihovog uništavanja. Mjehurić se dijeli na dva dijela, a jedan od njih ide na izlaznu stazu.
- Detektor. Mjehurići s izlazne staze ulaze u magnetootporni detektor.
- Učitavanje staze. Staza za pokretanje sadrži informacije o aktivnim i neaktivnim stazama podataka.
U nastavku ćemo detaljnije pogledati ove čvorove. Također možete pročitati opis ovih čvorova u [6].
stvaranje mjehurića
Za stvaranje mjehurića, na samom početku ulazne staze nalazi se vodič savijen u obliku male petlje. Na njega se primjenjuje strujni impuls koji stvara magnetsko polje na vrlo malom području jače od polja stalnih magneta. Impuls stvara mjehurić na ovom mjestu, koji ostaje trajno održavan konstantnim magnetskim poljem i cirkulira duž permalloy elementa pod djelovanjem rotirajućeg magnetskog polja. Ako trebamo zapisati jedinicu u memoriju, primjenjujemo kratki impuls na vodljivu petlju, i kao rezultat se rađaju dva mjehurića (na slici označena kao Bubble split seed). Jedan od mjehurića juri rotirajuće polje duž permalojske staze, drugi ostaje na mjestu i brzo poprima svoju izvornu veličinu. Zatim se pomiče na jednu od podređenih staza i mijenja mjesta s mjehurićima koji kruže u njoj. On pak dolazi do kraja ulazne staze i nestaje.
izmjena mjehurića
Do izmjene mjehurića dolazi kada se pravokutni strujni impuls primijeni na odgovarajući vodič. U ovom slučaju, mjehurić se ne dijeli na dva dijela.
Čitanje podataka
Podaci se šalju na izlaznu stazu replikacijom i nastavljaju kružiti u svojoj stazi nakon čitanja. Dakle, ovaj uređaj implementira nedestruktivnu metodu očitavanja. Za repliciranje, mjehurić se vodi ispod izduženog elementa od permaloja ispod kojeg se rasteže. Iznad se nalazi i vodič u obliku petlje, ako se strujni impuls primijeni na petlju, mjehurić će se podijeliti na dva dijela. Trenutni impuls sastoji se od kratkog dijela s visokom strujom za dijeljenje mjehurića na dva dijela i duljeg dijela s manjom strujom za usmjeravanje mjehurića na izlaznu stazu.
Na kraju izlazne staze nalazi se detektor mjehurića, magnetnootporni most izrađen od permalojskih elemenata koji tvore dugi krug. Kada magnetski mjehurić padne ispod elementa od permaloja, njegov otpor se mijenja, a na izlazu mosta pojavljuje se razlika potencijala od nekoliko milivolti. Oblik permalloy elemenata je odabran tako da se mjehurić kreće duž njih, na kraju udari u posebnu gumu "stražara" i nestane.
Redundancija
Uređaj sadrži 320 staza, svaka s 4096 bita. Od toga su 272 aktivna, 48 rezervnih, neaktivnih.
Staza za pokretanje (Boot Loop)
Uređaj sadrži 320 zapisa podataka, od kojih je 256 namijenjeno za pohranu korisničkih podataka, ostali mogu biti neispravni ili mogu poslužiti kao rezervni za zamjenu neispravnih. Jedna dodatna staza sadrži informacije o korištenju staza podataka, 12 bita po stazi. Kada se sustav uključi, mora se pokrenuti. Tijekom procesa inicijalizacije, kontroler mora pročitati stazu za pokretanje i upisati informacije iz nje u poseban registar čipa za formatiranje / strujnog senzora. Tada će kontroler koristiti samo aktivne staze, a neaktivne će biti zanemarene i na njih se neće pisati.
Skladište podataka - Struktura
Sa stajališta korisnika, podaci su pohranjeni na 2048 stranica od po 512 bita. 256 bajtova podataka, 14 bita koda za ispravljanje pogrešaka i 2 neiskorištena bita pohranjeno je u svakoj polovici uređaja.
Ispravljanje pogrešaka
Detekciju i ispravljanje pogrešaka može izvesti trenutni senzorski čip koji sadrži 14-bitni dekoder koda koji ispravlja jednu pogrešku duljine do 5 bita (burst error) u svakom bloku od 270 bita (uključujući sam kod). Kod se dodaje na kraj svakog 256-bitnog bloka. Korekcijski kod se može koristiti ili ne koristiti, na zahtjev korisnika provjera koda se može uključiti ili isključiti u kontroleru. Ako se ne koristi kod, svih 270 bitova može se koristiti za korisničke podatke.
Vrijeme pristupa
Magnetsko polje rotira frekvencijom od 50 kHz. Prosječno vrijeme pristupa prvom bitu prve stranice je 41 ms, što je polovica vremena potrebnog za završetak punog ciklusa kroz stazu plus vrijeme potrebno za prolazak kroz izlaznu stazu.
320 aktivnih i rezervnih staza podijeljeno je u četiri dijela po 80 staza. Ova organizacija smanjuje vrijeme pristupa. Četvrtine se adresiraju u parovima: svaki par četvrtina sadrži parne i neparne dijelove riječi. Uređaj sadrži četiri ulazne staze s četiri početna mjehurića i četiri izlazne staze. Izlazne staze koriste dva detektora, organizirane su na takav način da dva mjehurića iz dvije staze nikad ne udare u jedan detektor u isto vrijeme. Stoga se četiri toka mjehurića multipleksiraju i pretvaraju u dva toka bitova i pohranjuju u registre trenutnog senzorskog čipa. Tamo se sadržaj registara ponovno multipleksira i šalje upravljaču preko serijskog sučelja.
U drugom dijelu članka pobliže ćemo pogledati strujni krug kontrolera bubble memory.
4. Literatura
Autor je pronašao u najtamnijim kutovima mreže i spremio za vas mnogo korisnih tehničkih informacija o memoriji na CMD-u, njegovoj povijesti i drugim povezanim aspektima:
1. — Dva sjećanja na inženjera Bobeka
2. - Dva sjećanja inženjera Bobeka (2. dio)
3. — Bubble memory
4. Prilagodba memorije s magnetskim mjehurićima u standardnom okruženju mikroračunala
5. - Texas Instruments TIB 0203 Bubble Memory
6. — Priručnik o memorijskim komponentama. Intel 1983.
7. 7110 1-Megabit Bubble Memory
Izvor: www.habr.com