円筒形の磁区上のメモリ。 パート 1. 仕組み

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1 歴史

バブル メモリ、または円筒形磁区メモリは、1967 年にベル研究所でアンドリュー ボベックによって開発された不揮発性メモリです。 研究によると、十分に強い磁場が膜の表面に垂直に向けられると、フェライトやガーネットの単結晶薄膜に小さな円筒形の磁区が形成されることが示されています。 磁場を変化させることで、これらの気泡を動かすことができます。 このような特性により、磁気バブルは、特定の位置でのバブルの有無が 1977 または 92304 のビット値を示す、シフト レジスタのような連続ビット ストアの構築に理想的になります。 バブルの直径は XNUMX 分の XNUMX ミクロンで、XNUMX つのチップに数千ビットのデータを保存できます。 たとえば、XNUMX 年の春、テキサス インスツルメンツは初めて XNUMX ビットの容量を持つチップを市場に導入しました。 このメモリは不揮発性であるため、磁気テープやディスクに似ていますが、ソリッドステートで可動部品が含まれていないため、テープやディスクよりも信頼性が高く、メンテナンスが不要で、はるかに小型で軽量です。 、ポータブルデバイスで使用できます。

当初、バブル メモリの発明者であるアンドリュー ボベックは、強磁性材料の薄いストリップが巻き付けられた糸の形をしたメモリの「一次元」バージョンを提案しました。 このようなメモリは「ツイスター」メモリと呼ばれ、大量生産もされましたが、すぐに「二次元」バージョンに取って代わられました。

バブルメモリの作成の歴史については、[1-3] を参照してください。

2. 動作原理

ここでご容赦いただきたいのですが、私は物理学者ではないので、非常に大雑把な説明になります。

一部の材料 (ガドリニウム ガリウム ガーネットなど) は一方向にのみ磁化される特性を持っており、この軸に沿って一定の磁場が適用されると、次の図に示すように、磁化された領域に泡のようなものが形成されます。 それぞれの気泡の直径はわずか数ミクロンです。

ガラスなどの非磁性​​基板上に、このような材料の 0,001 インチ程度の薄い結晶膜が堆積されていると仮定します。

それはすべて魔法の泡に関するものです。 左側の写真 - 磁場はありません。右の写真 - 磁場はフィルム表面に対して垂直に向けられています。

このような材料のフィルムの表面に磁性材料、例えばパーマロイ、鉄ニッケル合金からパターンが形成されている場合、気泡はこのパターンの要素に磁化される。 通常、T 字型または V 字型の要素の形のパターンが使用されます。

磁性膜に垂直に印加される永久磁石による100～200エルステッドの磁場と、XNUMXつのコイルによるXY方向の回転磁場により単一の気泡を形成し、気泡を移動させることができます。写真に示されているように、ある磁性「島」から別の磁性「島」へのバブルドメイン。 磁場の方向が XNUMX 回変化すると、ドメインは XNUMX つの島から次の島に移動します。

これらすべてにより、CMD デバイスをシフト レジスタとみなすことができます。 レジスタの一端でバブルを形成し、もう一方の端でそれを検出すると、特定のパターンのバブルを周囲に吹き飛ばし、システムをメモリデバイスとして使用し、特定の時間にビットを読み書きすることができます。

ここからは、CMD メモリの長所と短所を説明します。長所はエネルギーに依存しないことです (永久磁石によって生成された垂直磁場が適用されている限り、気泡はどこにも消えず、その位置から移動しません)。短所は、アクセス時間が長いため、 任意のビットにアクセスするには、シフト レジスタ全体を目的の位置までスクロールする必要があり、スクロールが長ければ長いほど、より多くのサイクルが必要になります。

CMD磁性膜上の磁性要素のパターン。

磁区の形成は英語で「核生成」と呼ばれ、数百ミリアンペアの電流が約 100 ns の間巻線に印加され、磁区に垂直な磁場が生成されます。フィルムと永久磁石の磁場の反対側にあります。 これにより、フィルム内に磁気「バブル」、つまり円筒形の磁区が形成されます。 残念ながら、このプロセスは温度に大きく依存するため、バブルが形成されずに書き込み操作が失敗したり、複数のバブルが形成されたりする可能性があります。

フィルムからデータを読み取るには、いくつかの技術が使用されます。

XNUMX つの方法である非破壊読み取りは、磁気抵抗センサーを使用して円筒形ドメインの弱い磁場を検出することです。

XNUMX 番目の方法は破壊的読み取りです。 気泡は特別な生成/検出トラックに導かれ、そこで気泡は材料の順磁化によって破壊されます。 材料が逆磁化されている場合、つまり気泡が存在している場合、コイルにさらに多くの電流が発生し、これが電子回路によって検出されます。 その後、特別な記録トラック上にバブルを再生成する必要があります。


ただし、メモリが XNUMX つの連続した配列として構成されている場合、XNUMX つの大きな欠点があります。 まず、アクセス時間が非常に長くなります。 第 XNUMX に、チェーン内の単一の欠陥により、デバイス全体が完全に動作不能になります。 したがって、図に示すように、XNUMX つの主トラックと多数の従属トラックの形で編成されたメモリが作成されます。

連続した XNUMX つのトラックを持つバブル メモリ

マスター/スレーブトラックを備えたバブルメモリー

このようなメモリ構成により、アクセス時間が大幅に短縮されるだけでなく、一定数の欠陥トラックを含むメモリデバイスの製造も可能になります。 メモリ コントローラーはそれらを考慮し、読み取り/書き込み操作中にそれらをバイパスする必要があります。

下の図は、バブル メモリの「チップ」の断面図を示しています。

バブルメモリの原理については、[4、5] で読むこともできます。

3。 Intel 7110

Intel 7110 - バブル メモリ モジュール、容量 1 MB (1048576 ビット) の MBM (磁気バブル メモリ)。 KDPVに描かれているのは彼です。 1メガビットはユーザーデータを保存するための容量で、冗長トラックを考慮すると、総容量は1310720ビットになります。 このデバイスには、それぞれ 320 ビットの容量を持つ 4096 個のループ トラック (ループ) が含まれていますが、そのうちの 256 個だけがユーザー データに使用され、残りは「壊れた」トラックの交換と冗長エラー訂正コードの保存用に確保されています。 このデバイスには、メジャー トラックとマイナー ループのアーキテクチャがあります。 アクティブなトラックに関する情報は、別のブート トラック (ブートストラップ ループ) に含まれています。 KDPV では、モジュール上に 80 進コードが印刷されていることがわかります。 これは「壊れた」トラックのマップです。320 の XNUMX 進数は XNUMX データ トラックを表し、アクティブなものは XNUMX ビットで表され、非アクティブなものは XNUMX で表されます。

このモジュールのオリジナルのドキュメントは [7] で読むことができます。

このデバイスは、ピンが XNUMX 列に配置されたケースを備えており、はんだ付けなしで (ソケットに) 取り付けられます。

モジュールの構造を図に示します。

メモリ アレイは 80 つの「ハーフ セクション」(ハーフ セクション) に分割され、それぞれが 90 つの「クォーター」(クワッド) に分割され、各クォーターには 2,5 個のスレーブ トラックがあります。 このモジュールには、回転磁界を生成する XNUMX つの直交する巻線の内側に配置された磁性材料を含むプレートが含まれています。 これを行うには、互いに XNUMX 度ずらした三角形の電流信号が巻線に印加されます。 プレートと巻線のアセンブリは永久磁石の間に配置され、永久磁石によって生成される磁束を遮断し、デバイスを外部磁場からシールドする磁気シールド内に配置されます。 プレートは XNUMX 度の傾斜で配置されており、傾斜に沿って小さな変位場が生成されます。 この磁場はコイルの磁場に比べて無視でき、装置の動作中に気泡の動きを妨げませんが、装置がオフになると気泡をパーマロイ要素に対して固定位置に移動させます。 永久磁石の強い垂直成分は、バブル磁区の存在をサポートします。

モジュールには次のノードが含まれています。

1. 記憶の軌跡。 直接的には、泡を保持し誘導するパーマロイ要素のトラックです。
2. レプリケーションジェネレーター。 発生場所に常に存在するバブルの複製に役立ちます。
3. 入力トラックと交換ノード。 生成されたバブルは入力トラックに沿って移動します。 バブルは 80 個のスレーブ トラックの XNUMX つに移動されます。
4. 出力トラックとレプリケーション ノード。 バブルはデータ トラックを破壊することなく減算されます。 バブルは XNUMX つの部分に分割され、そのうちの XNUMX つは出力トラックに送られます。
5. 探知機。 出力トラックからの気泡が磁気抵抗検出器に入ります。
6. トラックをロードしています。 ブート トラックには、アクティブなデータ トラックと非アクティブなデータ トラックに関する情報が含まれています。

以下では、これらのノードについて詳しく見ていきます。 [6] でこれらのノードの説明を読むこともできます。

バブルの発生

バブルを生成するには、入力トラックの最初に小さなループの形に曲げられた導体があります。 電流パルスがそれに印加されると、非常に小さな領域に永久磁石の磁場よりも強い磁場が生成されます。 この時点でインパルスによって気泡が生成され、気泡は一定の磁場によって永久に維持され、回転磁場の影響下でパーマロイ要素に沿って循環します。 ユニットをメモリに書き込む必要がある場合、導電ループに短いパルスを加えます。その結果、XNUMX つのバブルが生成されます (図ではバブル分割シードとして示されています)。 泡の XNUMX つはパーマロイ トラックに沿って回転場によって押し出されますが、XNUMX つ目の泡はその場に留まり、すぐに元のサイズになります。 次に、スレーブ トラックの XNUMX つに移動し、その中を循環するバブルと場所を交換します。 次に、入力トラックの最後に到達して消えます。

バブル交換

気泡交換は、方形電流パルスが対応する導体に印加されると発生します。 この場合、バブルは XNUMX つの部分に分割されません。

データの読み取り

データは複製によって出力トラックに送信され、読み取られた後もそのトラック内を循環し続けます。 したがって、このデバイスは非破壊的な読み取り方法を実装しています。 再現するには、気泡を細長いパーマロイ要素の下に向け、その下で気泡を引き伸ばします。 上にはループ状の導体もあり、ループに電流パルスが印加されるとバブルは XNUMX つの部分に分割されます。 電流パルスは、バブルを XNUMX つに分割する高電流の短いセクションと、バブルを出口トラックに導く低電流の長いセクションで構成されます。

出力トラックの最後には、長い回路を形成するパーマロイ素子で作られた磁気抵抗ブリッジであるバブル ディテクタがあります。 磁気バブルがパーマロイ素子の下に落ちると、その抵抗が変化し、ブリッジの出力に数ミリボルトの電位差が現れます。 パーマロイ要素の形状は、気泡がそれに沿って移動し、最後に特別な「ガード」タイヤに当たって消えるように選択されています。

冗長性

このデバイスには 320 トラックが含まれており、それぞれのトラックは 4096 ビットです。 このうち 272 個がアクティブで、48 個が予備の非アクティブです。

ブートトラック (ブートループ)

このデバイスには 320 個のデータ トラックが含まれており、そのうち 256 個はユーザー データの保存を目的としており、残りは障害があるか、障害のあるものを交換するためのスペアとして機能する可能性があります。 追加の 12 つのトラックには、データ トラックの使用に関する情報 (トラックあたり XNUMX ビット) が含まれます。 システムの電源を入れたら、初期化する必要があります。 初期化プロセス中に、コントローラーはブート トラックを読み取り、そこからフォーマット チップ/電流センサーの特殊レジスターに情報を書き込む必要があります。 この場合、コントローラーはアクティブなトラックのみを使用し、非アクティブなトラックは無視され、書き込まれません。

データ ウェアハウス - 構造

ユーザーの観点からは、データはそれぞれ 2048 ビットの 512 ページに保存されます。 256 バイトのデータ、14 ビットのエラー訂正コード、および 2 つの未使用ビットがデバイスの各半分に格納されます。

エラー訂正

エラーの検出と訂正は、電流センサー チップによって実行できます。このチップには、14 ビットの各ブロック (コード自体を含む) で最大 5 ビット長の単一エラー (バースト エラー) を訂正する 270 ビット コード デコーダーが含まれています。 コードは各 256 ビット ブロックの末尾に追加されます。 補正コードの使用/不使用、ユーザーの要望に応じて、コントローラ側でコード照合のオン/オフを設定できます。 コードを使用しない場合は、270 ビットすべてをユーザー データに使用できます。

アクセス時間

磁場は 50 kHz の周波数で回転します。 最初のページの最初のビットへの平均アクセス時間は 41 ミリ秒です。これは、トラックの全サイクルを完了するのにかかる時間の半分に、出力トラックを通過するのにかかる時間を加えたものです。

320 のアクティブ トラックとスペア トラックは、それぞれ 80 トラックずつ XNUMX つの部分に分割されます。 この構成により、アクセス時間が短縮されます。 クォーターはペアでアドレス指定されます。クォーターの各ペアには、それぞれワードの偶数ビットと奇数ビットが含まれます。 このデバイスには、XNUMX つの初期バブルを含む XNUMX つの入力トラックと XNUMX つの出力トラックが含まれています。 出力トラックは XNUMX つの検出器を使用し、XNUMX つのトラックからの XNUMX つのバブルが同時に XNUMX つの検出器に当たることがないように構成されています。 したがって、XNUMX つのバブル ストリームが多重化されて XNUMX つのビット ストリームに変換され、現在のセンサー チップのレジスタに格納されます。 そこで、レジスタの内容が再び多重化され、シリアル インターフェイス経由でコントローラに送信されます。

記事の後半では、バブル メモリ コントローラーの回路を詳しく見ていきます。

4. 参考文献

著者はネットワークの最も暗い隅で発見し、CMD のメモリ、その歴史、その他の関連する側面に関する多くの有用な技術情報を保存しました。

1. https://old.computerra.ru/vision/621983/ — エンジニア、ボベックの XNUMX つの思い出
2. https://old.computerra.ru/vision/622225/ - エンジニア・ボベックの二つの思い出（その２）
3. http://www.wikiwand.com/en/Bubble_memory — バブルメモリ
4. https://cloud.mail.ru/public/3qNi/33LMQg8Fn 標準的なマイクロコンピュータ環境における磁気バブルメモリの適応
5. https://cloud.mail.ru/public/4YgN/ujdGWtAXf — テキサス・インスツルメンツ TIB 0203 バブルメモリ
6. https://cloud.mail.ru/public/4PRV/5qC4vyjLa — メモリ コンポーネント ハンドブック。 インテル 1983年。
7. https://cloud.mail.ru/public/4Mjv/41Xrp4Rii 7110 1 メガビット バブル メモリ

出所： habr.com