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1. Storia
La memoria a bolle, o memoria a dominio magnetico cilindrico, è una memoria non volatile sviluppata presso i Bell Labs nel 1967 da Andrew Bobeck. Gli studi hanno dimostrato che piccoli domini magnetici cilindrici si formano in film sottili monocristallini di ferriti e granati quando un campo magnetico sufficientemente forte è diretto perpendicolarmente alla superficie del film. Modificando il campo magnetico, queste bolle possono essere spostate. Tali proprietà rendono le bolle magnetiche ideali per la creazione di memorie di bit seriali, come un registro a scorrimento, in cui la presenza o l'assenza di una bolla in una determinata posizione indica un valore pari a zero o un bit. La bolla ha un diametro di decimi di micron e un singolo chip può memorizzare migliaia di bit di dati. Così, ad esempio, nella primavera del 1977, Texas Instruments ha introdotto per la prima volta sul mercato un chip con una capacità di 92304 bit. Questa memoria non è volatile, il che la rende simile al nastro magnetico o al disco, ma poiché è a stato solido e non ha parti mobili, è più affidabile del nastro o del disco, non richiede manutenzione ed è molto più piccola e leggera. può essere utilizzato in dispositivi portatili.
Inizialmente, l'inventore della memoria a bolle, Andrew Bobek, ha proposto una versione "unidimensionale" della memoria, sotto forma di un filo attorno al quale è avvolta una sottile striscia di materiale ferromagnetico. Tale memoria era chiamata memoria "twistor", ed era persino prodotta in serie, ma fu presto sostituita dalla versione "bidimensionale".
Puoi leggere la storia della creazione della memoria a bolle in [1-3].
2. Principio di funzionamento
Qui ti chiedo di perdonarmi, non sono un fisico, quindi la presentazione sarà molto approssimativa.
Alcuni materiali (come il granato di gadolinio e gallio) hanno la proprietà di essere magnetizzati in una sola direzione, e se un campo magnetico costante viene applicato lungo questo asse, le regioni magnetizzate formeranno qualcosa di simile a bolle, come mostrato nella figura sottostante. Ogni bolla ha un diametro di pochi micron.
Supponiamo di avere una pellicola cristallina sottile, dell'ordine di 0,001 pollici, di tale materiale depositata su un substrato non magnetico, come il vetro.
Riguarda le bolle magiche. L'immagine a sinistra - non c'è campo magnetico, l'immagine a destra - il campo magnetico è diretto perpendicolarmente alla superficie della pellicola.
Se sulla superficie di un film di tale materiale si forma un motivo da un materiale magnetico, ad esempio permalloy, una lega di ferro-nichel, le bolle verranno magnetizzate sugli elementi di questo motivo. Tipicamente, vengono utilizzati modelli sotto forma di elementi a forma di T o a forma di V.
Una singola bolla può essere formata da un campo magnetico di 100-200 oersted, che viene applicato perpendicolarmente al film magnetico ed è creato da un magnete permanente, e un campo magnetico rotante formato da due spire nelle direzioni XY, permette di muoversi i domini a bolle da una "isola" magnetica all'altra, come quella mostrata in figura. Dopo un quadruplice cambiamento nella direzione del campo magnetico, il dominio si sposterà da un'isola all'altra.
Tutto ciò ci consente di considerare il dispositivo CMD come un registro a scorrimento. Se formiamo bolle a un'estremità del registro e le rileviamo all'altra, allora possiamo far esplodere un certo schema di bolle e usare il sistema come un dispositivo di memoria, leggendo e scrivendo bit in determinati momenti.
Da qui seguono i vantaggi e gli svantaggi della memoria CMD: il vantaggio è l'indipendenza energetica (finché viene applicato un campo perpendicolare creato da magneti permanenti, le bolle non scompariranno da nessuna parte e non si sposteranno dalle loro posizioni), e lo svantaggio è un tempo di accesso lungo, perché per accedere a un bit arbitrario, è necessario scorrere l'intero registro a scorrimento fino alla posizione desiderata e più è lungo, più cicli saranno necessari.
Il modello di elementi magnetici sul film magnetico CMD.
La creazione di un dominio magnetico si chiama in inglese "nucleazione", e consiste nel fatto che viene applicata all'avvolgimento una corrente di alcune centinaia di milliampere per un tempo di circa 100 ns, e si crea un campo magnetico perpendicolare al film e opposto al campo di un magnete permanente. Questo crea una "bolla" magnetica - un dominio magnetico cilindrico nel film. Il processo, sfortunatamente, dipende fortemente dalla temperatura, è possibile che un'operazione di scrittura fallisca senza che si formi una bolla o che si formino più bolle.
Diverse tecniche vengono utilizzate per leggere i dati da un film.
Un modo, la lettura non distruttiva, consiste nel rilevare il debole campo magnetico del dominio cilindrico utilizzando un sensore magnetoresistivo.
Il secondo modo è la lettura distruttiva. La bolla viene portata su una speciale traccia di generazione/rilevamento, dove la bolla viene distrutta dalla magnetizzazione in avanti del materiale. Se il materiale fosse magnetizzato al contrario, cioè fosse presente una bolla, ciò causerebbe più corrente nella bobina e ciò verrebbe rilevato dal circuito elettronico. Successivamente, la bolla deve essere rigenerata su un'apposita traccia di registrazione.
Tuttavia, se la memoria è organizzata come un array contiguo, avrà due grossi svantaggi. Innanzitutto, il tempo di accesso sarà molto lungo. In secondo luogo, un singolo difetto nella catena porterà alla completa inoperabilità dell'intero dispositivo. Pertanto, creano un ricordo organizzato sotto forma di una traccia principale e molte tracce secondarie, come mostrato in figura.
Memoria a bolle con una traccia continua
Memoria a bolle con tracce master/slave
Tale configurazione di memoria consente non solo di ridurre notevolmente il tempo di accesso, ma consente anche la produzione di dispositivi di memoria contenenti un certo numero di tracce difettose. Il controller di memoria deve tenerne conto e bypassarli durante le operazioni di lettura/scrittura.
La figura seguente mostra una sezione trasversale di un "chip" di memoria a bolle.
Puoi anche leggere il principio della memoria a bolle in [4, 5].
3. Intel 7110
Intel 7110 - modulo di memoria a bolle, MBM (memoria a bolle magnetiche) con una capacità di 1 MB (1048576 bit). È lui che è raffigurato sul KDPV. 1 megabit è la capacità di memorizzazione dei dati dell'utente, tenendo conto delle tracce ridondanti, la capacità totale è di 1310720 bit. Il dispositivo contiene 320 tracce in loop (loop) con una capacità di 4096 bit ciascuna, ma solo 256 di esse vengono utilizzate per i dati dell'utente, il resto è una riserva per sostituire le tracce "rotte" e per memorizzare il codice ridondante di correzione degli errori. Il dispositivo ha un'architettura a circuito principale con traccia minore. Le informazioni sulle tracce attive sono contenute in una traccia di avvio separata (loop bootstrap). Sul KDPV, puoi vedere il codice esadecimale stampato direttamente sul modulo. Questa è la mappa delle tracce “interrotte”, 80 cifre esadecimali rappresentano 320 tracce dati, quelle attive sono rappresentate da un singolo bit, quelle inattive da zero.
È possibile leggere la documentazione originale per il modulo in [7].
Il dispositivo ha una custodia con una disposizione di pin a doppia fila ed è montato senza saldatura (in una presa).
La struttura del modulo è mostrata in figura:
L'array di memoria è diviso in due "mezze sezioni" (mezze sezioni), ognuna delle quali è divisa in due "quarti" (quad), ogni quarto ha 80 tracce slave. Il modulo contiene una piastra con materiale magnetico situata all'interno di due avvolgimenti ortogonali che creano un campo magnetico rotante. Per fare ciò, agli avvolgimenti vengono applicati segnali di corrente di forma triangolare, spostati di 90 gradi l'uno rispetto all'altro. L'insieme della piastra e degli avvolgimenti è posto tra i magneti permanenti e posto in uno schermo magnetico che chiude il flusso magnetico generato dai magneti permanenti e scherma il dispositivo dai campi magnetici esterni. La piastra è posizionata con un'inclinazione di 2,5 gradi, che crea un piccolo campo di spostamento lungo il pendio. Questo campo è trascurabile rispetto al campo delle bobine e non interferisce con il movimento delle bolle durante il funzionamento del dispositivo, ma sposta le bolle in posizioni fisse rispetto agli elementi in permalloy quando il dispositivo è spento. La forte componente perpendicolare dei magneti permanenti supporta l'esistenza di domini magnetici a bolle.
Il modulo contiene i seguenti nodi:
- Tracce di memoria. Direttamente quelle tracce di elementi permalloy che trattengono e guidano le bolle.
- generatore di repliche. Serve per la replicazione della bolla, che è costantemente presente nel luogo della generazione.
- Traccia di input e nodi di scambio. Le bolle generate si muovono lungo la traccia di input. Le bolle vengono spostate su una delle 80 tracce slave.
- Traccia di output e nodo di replica. Le bolle vengono sottratte dalle tracce dati senza distruggerle. La bolla si divide in due parti e una di esse va alla traccia di uscita.
- Rivelatore. Le bolle dalla traccia di uscita entrano nel rivelatore magnetoresistivo.
- Traccia in caricamento. La traccia di avvio contiene informazioni sulle tracce dati attive e inattive.
Di seguito esamineremo questi nodi in modo più dettagliato. Puoi anche leggere la descrizione di questi nodi in [6].
generazione di bolle
Per generare una bolla, proprio all'inizio della traccia di ingresso c'è un conduttore piegato a forma di minuscolo anello. Ad esso viene applicato un impulso di corrente, che crea un campo magnetico in un'area molto piccola più forte del campo dei magneti permanenti. L'impulso crea in questo punto una bolla, che rimane permanentemente mantenuta da un campo magnetico costante e circola lungo l'elemento permalloy sotto l'influenza di un campo magnetico rotante. Se dobbiamo scrivere un'unità in memoria, applichiamo un breve impulso alla spira conduttrice e come risultato nascono due bolle (indicate come Bubble split seed in figura). Una delle bolle viene fatta precipitare dal campo rotante lungo il binario di permalloy, la seconda rimane al suo posto e acquista rapidamente la sua dimensione originale. Quindi si sposta su uno dei binari degli schiavi e scambia di posto con la bolla che circola al suo interno. A sua volta, raggiunge la fine della traccia di ingresso e scompare.
scambio di bolle
Lo scambio di bolle si verifica quando un impulso di corrente rettangolare viene applicato al conduttore corrispondente. In questo caso, la bolla non si divide in due parti.
Lettura dei dati
I dati vengono inviati alla traccia di output mediante replica e continuano a circolare nella sua traccia dopo essere stati letti. Pertanto, questo dispositivo implementa un metodo di lettura non distruttivo. Per replicarsi, la bolla viene guidata sotto un elemento allungato di permalloy, sotto il quale viene tesa. Sopra c'è anche un conduttore a forma di anello, se viene applicato un impulso di corrente all'anello, la bolla sarà divisa in due parti. L'impulso di corrente è costituito da una breve sezione con corrente elevata per dividere la bolla in due parti e da una sezione più lunga con meno corrente per dirigere la bolla verso la pista di uscita.
Alla fine della traccia di uscita si trova il Bubble Detector, un ponte magnetoresistivo costituito da elementi di permalloy che formano un lungo circuito. Quando una bolla magnetica cade sotto un elemento di permalloy, la sua resistenza cambia e all'uscita del ponte appare una differenza di potenziale di diversi millivolt. La forma degli elementi in permalloy è scelta in modo che la bolla si muova lungo di essi, alla fine colpisca uno speciale pneumatico “di guardia” e scompaia.
Ridondanza
Il dispositivo contiene 320 tracce, ciascuna con 4096 bit. Di questi, 272 sono attivi, 48 sono di riserva, inattivi.
Traccia di avvio (Boot Loop)
Il dispositivo contiene 320 tracce di dati, di cui 256 sono destinate alla memorizzazione dei dati dell'utente, il resto può essere difettoso o può servire come riserva per sostituire quelli difettosi. Una traccia aggiuntiva contiene informazioni sull'uso delle tracce dati, 12 bit per traccia. Quando il sistema è acceso, deve essere inizializzato. Durante il processo di inizializzazione, il controller deve leggere la traccia di avvio e scrivere le informazioni da essa in un registro speciale del chip di formattazione / sensore di corrente. Quindi il controller utilizzerà solo le tracce attive e quelle inattive verranno ignorate e non verranno scritte.
Data Warehouse - Struttura
Dal punto di vista dell'utente, i dati sono memorizzati in 2048 pagine di 512 bit ciascuna. 256 byte di dati, 14 bit di codice di correzione degli errori e 2 bit inutilizzati sono memorizzati in ciascuna metà del dispositivo.
Correzione dell'errore
Il rilevamento e la correzione degli errori possono essere eseguiti da un chip sensore di corrente, che contiene un decodificatore di codice a 14 bit che corregge un singolo errore lungo fino a 5 bit (errore burst) in ogni blocco di 270 bit (incluso il codice stesso). Il codice viene aggiunto alla fine di ogni blocco di 256 bit. Il codice di correzione può essere utilizzato o non utilizzato, su richiesta dell'utente, la verifica del codice può essere attivata o disattivata nel controller. Se non viene utilizzato alcun codice, tutti i 270 bit possono essere utilizzati per i dati utente.
Tempo di accesso
Il campo magnetico ruota ad una frequenza di 50 kHz. Il tempo medio di accesso al primo bit della prima pagina è di 41 ms, che è la metà del tempo necessario per completare un ciclo completo attraverso la traccia più il tempo necessario per passare attraverso la traccia di uscita.
Le 320 tracce attive e di riserva sono divise in quattro parti di 80 tracce ciascuna. Questa organizzazione riduce il tempo di accesso. I quarti sono indirizzati a coppie: ogni coppia di quarti contiene rispettivamente i bit pari e dispari della parola. Il dispositivo contiene quattro tracce di input con quattro bolle iniziali e quattro tracce di output. Le tracce di output utilizzano due rilevatori, sono organizzate in modo tale che due bolle di due tracce non colpiscano mai un rilevatore contemporaneamente. Pertanto, i quattro flussi di bolle vengono multiplati e convertiti in due flussi di bit e memorizzati nei registri del chip sensore corrente. Lì, il contenuto dei registri viene nuovamente multiplexato e inviato al controllore tramite l'interfaccia seriale.
Nella seconda parte dell'articolo, daremo un'occhiata più da vicino al circuito del controller di memoria a bolle.
4. Riferimenti
L'autore ha trovato negli angoli più bui della rete e ha salvato per te molte utili informazioni tecniche sulla memoria sul CMD, la sua storia e altri aspetti correlati:
1. — Due ricordi dell'ingegner Bobek
2. - Due ricordi dell'ingegner Bobek (parte 2)
3. — Memoria a bolle
4. Adattamento della memoria a bolle magnetiche in un ambiente di microcomputer standard
5. — Memoria a bolle TIB 0203 di Texas Instruments
6. — Manuale dei componenti di memoria. Intel 1983.
7. 7110 Memoria a bolle da 1 Megabit
Fonte: habr.com