원통형 자기 도메인의 메모리. 1부. 작동 방식

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1. 이야기

버블 메모리 또는 원통형 자구 메모리는 1967년 Andrew Bobeck이 Bell Labs에서 개발한 비휘발성 메모리입니다. 연구에 따르면 충분히 강한 자기장이 필름 표면에 수직으로 향할 때 페라이트 및 가넷의 단결정 박막에 작은 원통형 자구가 형성되는 것으로 나타났습니다. 자기장을 변경하면 이러한 거품을 이동할 수 있습니다. 이러한 속성은 자기 거품이 특정 위치에서 거품의 존재 또는 부재가 1977 또는 92304비트 값을 나타내는 시프트 레지스터와 같은 순차적 비트 저장소를 구축하는 데 이상적입니다. 거품은 직경이 XNUMX분의 XNUMX 미크론이며 단일 칩은 수천 비트의 데이터를 저장할 수 있습니다. 예를 들어, XNUMX년 봄에 Texas Instruments는 처음으로 XNUMX비트 용량의 칩을 시장에 출시했습니다. 이 메모리는 비휘발성이므로 자기 테이프나 디스크와 비슷하지만 고체 상태이고 움직이는 부품이 없기 때문에 테이프나 디스크보다 안정적이고 유지 관리가 필요하지 않으며 훨씬 작고 가볍습니다. , 휴대용 장치에서 사용할 수 있습니다.

처음에 버블 메모리의 발명가인 앤드류 보벡(Andrew Bobek)은 얇은 강자성 물질이 감긴 실 형태의 "XNUMX차원" 버전의 메모리를 제안했습니다. 이러한 메모리는 "트위스터" 메모리라고 불리며 대량 생산되기까지 했지만 곧 "XNUMX차원" 버전으로 대체되었습니다.

버블 메모리 생성의 역사는 [1-3]에서 읽을 수 있습니다.

2. 작동 원리

여기서 저를 용서해 주시기 바랍니다. 저는 물리학자가 아니므로 프레젠테이션은 매우 근사할 것입니다.

일부 물질(예: 가돌리늄 갈륨 가넷)은 한 방향으로만 자화되는 특성이 있으며 이 축을 따라 일정한 자기장이 가해지면 아래 그림과 같이 자화된 영역이 거품과 같은 것을 형성합니다. 각 기포의 직경은 수 미크론에 불과합니다.

0,001인치 정도의 얇은 결정막이 유리 기판과 같은 비자성 기판에 증착된 그러한 물질의 결정막을 가지고 있다고 가정합니다.

마법의 거품에 관한 모든 것입니다. 왼쪽 그림 - 자기장이 없고 오른쪽 그림 - 자기장이 필름 표면에 수직으로 향합니다.

이러한 재료의 필름 표면에 자성 재료, 예를 들어 철-니켈 합금 인 퍼멀로이로 패턴이 형성되면 기포가이 패턴의 요소로 자화됩니다. 일반적으로 T자형 또는 V자형 요소 형태의 패턴이 사용됩니다.

하나의 기포는 자성막에 수직으로 인가되어 영구자석에 의해 생성되는 100~200 에르스텟의 자기장과 XY 방향으로 XNUMX개의 코일에 의해 형성되는 회전 자기장에 의해 형성될 수 있으며, 그림에 표시된 것과 같이 한 자기 "섬"에서 다른 자기 "섬"으로 버블 도메인. 자기장의 방향이 XNUMX배 변화한 후 도메인은 한 섬에서 다음 섬으로 이동합니다.

이 모든 것을 통해 CMD 장치를 시프트 레지스터로 간주할 수 있습니다. 레지스터의 한쪽 끝에서 거품을 형성하고 다른 쪽 끝에서 거품을 감지하면 특정 패턴의 거품을 주위에 불어 시스템을 메모리 장치로 사용하여 특정 시간에 비트를 읽고 쓸 수 있습니다.

여기에서 CMD 메모리의 장점과 단점을 따르십시오. 장점은 에너지 독립성(영구 자석에 의해 생성된 수직 필드가 적용되는 한 기포는 어디에서나 사라지지 않고 제자리에서 이동하지 않음)이고 단점은 액세스 시간이 길기 때문에 임의의 비트에 액세스하려면 전체 시프트 레지스터를 원하는 위치로 스크롤해야 하며 길이가 길수록 더 많은 사이클이 필요합니다.

CMD 자성 필름의 자성 요소 패턴.

자기 도메인의 생성은 영어로 "핵형성"이라고 하며, 수백 밀리암페어의 전류가 약 100ns의 시간 동안 권선에 가해지고 자기장이 자기장에 수직으로 생성된다는 사실로 구성됩니다. 필름과 영구 자석의 필드 반대. 이것은 자성 "버블"을 생성합니다. 필름의 원통형 자구입니다. 불행하게도 이 프로세스는 온도에 크게 의존하며 기포가 형성되지 않고 쓰기 작업이 실패하거나 여러 기포가 형성될 수 있습니다.

필름에서 데이터를 읽기 위해 여러 기술이 사용됩니다.

비파괴 판독 방법 중 하나는 자기 저항 센서를 사용하여 원통형 도메인의 약한 자기장을 감지하는 것입니다.

두 번째 방법은 파괴적인 읽기입니다. 기포는 재료의 순방향 자화에 의해 기포가 파괴되는 특수 생성/감지 트랙으로 향합니다. 재료가 역자화되면, 즉 기포가 있으면 코일에 더 많은 전류가 흐르고 전자 회로에서 이를 감지합니다. 그 후 특수 녹음 트랙에서 버블을 재생성해야 합니다.


그러나 메모리가 하나의 연속적인 배열로 구성되면 두 가지 큰 단점이 있습니다. 첫째, 액세스 시간이 매우 길 것입니다. 둘째, 체인의 단일 결함으로 인해 전체 장치가 완전히 작동하지 않을 수 있습니다. 따라서 그림과 같이 하나의 주트랙과 여러 개의 하위트랙의 형태로 조직화된 기억을 만든다.

하나의 연속 트랙이 있는 버블 메모리

마스터/슬레이브 트랙이 있는 버블 메모리

이러한 메모리 구성은 액세스 시간을 크게 줄일 수 있을 뿐만 아니라 특정 수의 결함 트랙을 포함하는 메모리 장치의 생산을 허용합니다. 메모리 컨트롤러는 이를 고려하여 읽기/쓰기 작업 중에 바이패스해야 합니다.

아래 그림은 버블 메모리 "칩"의 단면을 보여줍니다.

[4, 5]에서 버블 메모리의 원리에 대해 읽을 수도 있습니다.

3. 인텔 7110

Intel 7110 - 1MB(1048576비트) 용량의 버블 메모리 모듈, MBM(자기 버블 메모리). KDPV에 묘사 된 사람은 바로 그 사람입니다. 1메가비트는 중복 트랙을 고려하여 사용자 데이터를 저장하는 용량이며 총 용량은 1310720비트입니다. 이 장치에는 각각 320비트의 용량을 가진 4096개의 루프 트랙(루프)이 포함되어 있지만 그 중 256개만 사용자 데이터에 사용되며 나머지는 "깨진" 트랙을 교체하고 중복 오류 수정 코드를 저장하기 위한 예비 공간입니다. 장치에는 주요 트랙 마이너 루프 아키텍처가 있습니다. 활성 트랙에 대한 정보는 별도의 부트 트랙(부트스트랩 루프)에 포함됩니다. KDPV에서 모듈에 바로 인쇄된 80진수 코드를 볼 수 있습니다. 이것은 "깨진" 트랙의 맵입니다. 320개의 XNUMX진수 숫자는 XNUMX개의 데이터 트랙을 나타내며 활성 트랙은 단일 비트로, 비활성 트랙은 XNUMX으로 표시됩니다.

[7]에서 모듈에 대한 원본 문서를 읽을 수 있습니다.

이 장치에는 핀이 XNUMX열로 배열된 케이스가 있으며 납땜 없이(소켓에) 장착됩니다.

모듈의 구조는 그림에 나와 있습니다.

메모리 어레이는 두 개의 "하프 섹션"(하프 섹션)으로 나뉘며 각 섹션은 두 개의 "쿼터"(쿼드)로 나뉘며 각 쿼터에는 80개의 슬레이브 트랙이 있습니다. 모듈에는 회전 자기장을 생성하는 두 개의 직교 권선 내부에 자성 재료가 있는 플레이트가 포함되어 있습니다. 이를 위해 서로에 대해 90도 변위 된 삼각형 모양의 전류 신호가 권선에 적용됩니다. 판과 권선의 어셈블리는 영구 자석 사이에 배치되고 영구 자석에 의해 생성된 자속을 차단하고 장치를 외부 자기장으로부터 보호하는 자기 차폐에 배치됩니다. 플레이트는 2,5도 경사에 배치되어 경사를 따라 작은 변위 필드를 생성합니다. 이 필드는 코일 필드에 비해 무시할 수 있으며 장치 작동 중 기포의 움직임을 방해하지 않지만 장치가 꺼지면 퍼멀로이 요소에 대해 고정된 위치로 기포를 이동시킵니다. 영구 자석의 강한 수직 구성 요소는 기포 자구의 존재를 지원합니다.

모듈에는 다음 노드가 포함되어 있습니다.

1. 메모리 트랙. 거품을 잡고 안내하는 퍼멀로이 요소의 트랙을 직접.
2. 복제 생성기. 생성 장소에 지속적으로 존재하는 거품의 복제 역할을합니다.
3. 입력 추적 및 교환 노드. 생성된 거품은 입력 트랙을 따라 이동합니다. 거품은 80개의 슬레이브 트랙 중 하나로 이동됩니다.
4. 출력 트랙 및 복제 노드. 기포는 데이터 트랙을 파괴하지 않고 데이터 트랙에서 뺍니다. 거품이 두 부분으로 나뉘고 그 중 하나가 출력 트랙으로 이동합니다.
5. 탐지기. 출력 트랙의 기포가 자기 저항 감지기로 들어갑니다.
6. 트랙을 로드 중입니다. 부트 트랙에는 활성 및 비활성 데이터 트랙에 대한 정보가 포함되어 있습니다.

아래에서 이러한 노드에 대해 자세히 살펴보겠습니다. [6]에서 이러한 노드에 대한 설명을 읽을 수도 있습니다.

거품 발생

버블을 생성하기 위해 입력 트랙의 맨 처음에 작은 루프 형태로 구부러진 컨덕터가 있습니다. 전류 펄스가 적용되어 영구 자석 필드보다 매우 작은 영역에 자기장을 생성합니다. 임펄스는 이 지점에서 기포를 생성하며, 기포는 일정한 자기장에 의해 영구적으로 유지되고 회전 자기장의 작용에 따라 퍼멀로이 요소를 따라 순환합니다. 단위를 메모리에 기록해야 하는 경우 전도 루프에 짧은 펄스를 적용하면 결과적으로 두 개의 거품이 생성됩니다(그림에서 거품 분할 시드로 표시됨). 거품 중 하나는 퍼멀로이 트랙을 따라 회전하는 필드에 의해 돌진되고 두 번째 거품은 제자리에 남아 원래 크기를 빠르게 얻습니다. 그런 다음 슬레이브 트랙 중 하나로 이동하고 그 안에서 순환하는 거품과 위치를 바꿉니다. 차례로 입력 트랙의 끝에 도달하고 사라집니다.

거품 교환

기포 교환은 직사각형 전류 펄스가 해당 도체에 적용될 때 발생합니다. 이 경우 거품이 두 부분으로 분할되지 않습니다.

데이터 읽기

데이터는 복제에 의해 출력 트랙으로 전송되고 읽힌 후 해당 트랙에서 계속 순환합니다. 따라서 이 장치는 비파괴적인 판독 방법을 구현합니다. 복제하기 위해 기포는 길쭉한 퍼멀로이 요소 아래로 안내되며 그 아래에서 늘어납니다. 위에는 루프 형태의 도체가 있으며 루프에 전류 펄스가 가해지면 거품이 두 부분으로 나뉩니다. 전류 펄스는 기포를 두 부분으로 분할하기 위한 고전류의 짧은 섹션과 기포를 출구 트랙으로 향하게 하는 더 적은 전류의 긴 섹션으로 구성됩니다.

출력 트랙의 끝에는 긴 회로를 형성하는 퍼멀로이 요소로 만들어진 자기 저항 브리지인 기포 감지기가 있습니다. 자기 기포가 퍼멀로이 요소 아래로 떨어지면 저항이 변하고 브리지 출력에 몇 밀리볼트의 전위차가 나타납니다. 퍼멀로이 요소의 모양은 거품이 그들을 따라 움직이도록 선택되며 마지막에는 특수 "가드"타이어에 부딪혀 사라집니다.

중복성

이 장치에는 각각 320비트의 4096개 트랙이 포함되어 있습니다. 이 중 272개는 활성 상태이고 48개는 비활성 예비 상태입니다.

부트 트랙(부트 루프)

장치에는 320개의 데이터 트랙이 포함되어 있으며 그 중 256개는 사용자 데이터를 저장하기 위한 것이며 나머지는 결함이 있거나 결함이 있는 트랙을 교체하기 위한 예비 부품 역할을 할 수 있습니다. 하나의 추가 트랙에는 트랙당 12비트의 데이터 트랙 사용에 대한 정보가 포함되어 있습니다. 시스템 전원을 켜면 초기화해야 합니다. 초기화 프로세스 중에 컨트롤러는 부트 트랙을 읽고 그 정보를 포맷 칩/전류 센서의 특수 레지스터에 기록해야 합니다. 그런 다음 컨트롤러는 활성 트랙만 사용하고 비활성 트랙은 무시되며 기록되지 않습니다.

데이터 웨어하우스 - 구조

사용자의 관점에서 데이터는 각각 2048비트의 512페이지에 저장됩니다. 256바이트의 데이터, 14비트의 오류 수정 코드 및 2개의 미사용 비트가 장치의 각 절반에 저장됩니다.

오류 수정

오류 감지 및 수정은 14비트(코드 자체 포함)의 각 블록에서 최대 5비트 길이(버스트 오류)의 단일 오류를 수정하는 270비트 코드 디코더가 포함된 전류 센서 칩으로 수행할 수 있습니다. 코드는 각 256비트 블록의 끝에 추가됩니다. 수정 코드는 사용하거나 사용하지 않을 수 있으며 사용자 요청에 따라 컨트롤러에서 코드 확인을 켜거나 끌 수 있습니다. 코드를 사용하지 않으면 270비트를 모두 사용자 데이터로 사용할 수 있습니다.

액세스 시간

자기장은 50kHz의 주파수에서 회전합니다. 첫 번째 페이지의 첫 번째 비트에 대한 평균 액세스 시간은 41ms이며, 이는 트랙을 통해 전체 주기를 완료하는 데 걸리는 시간의 절반에 출력 트랙을 통과하는 데 걸리는 시간을 더한 것입니다.

320개의 활성 및 예비 트랙은 각각 80개 트랙의 XNUMX개 부분으로 나뉩니다. 이 조직은 액세스 시간을 줄입니다. 분기는 쌍으로 지정됩니다. 각 분기 쌍에는 단어의 짝수 및 홀수 비트가 각각 포함됩니다. 장치에는 XNUMX개의 초기 거품이 있는 XNUMX개의 입력 트랙과 XNUMX개의 출력 트랙이 있습니다. 출력 트랙은 두 개의 탐지기를 사용하며 두 트랙의 두 거품이 동시에 하나의 탐지기에 부딪히지 않도록 구성됩니다. 따라서 XNUMX개의 버블 스트림이 다중화되어 XNUMX개의 비트 스트림으로 변환되어 현재 센서 칩의 레지스터에 저장된다. 거기에서 레지스터의 내용이 다시 다중화되어 직렬 인터페이스를 통해 컨트롤러로 전송됩니다.

기사의 두 번째 부분에서는 버블 메모리 컨트롤러의 회로를 자세히 살펴보겠습니다.

4. 참고문헌

저자는 네트워크의 가장 어두운 구석에서 발견하고 CMD의 메모리, 그 역사 및 기타 관련 측면에 대한 많은 유용한 기술 정보를 저장했습니다.

1. https://old.computerra.ru/vision/621983/ — 엔지니어 Bobek의 두 가지 기억
2. https://old.computerra.ru/vision/622225/ - 엔지니어 보벡의 두 가지 추억(2부)
3. http://www.wikiwand.com/en/Bubble_memory — 버블 메모리
4. https://cloud.mail.ru/public/3qNi/33LMQg8Fn 표준 마이크로컴퓨터 환경에서 자기 기포 메모리의 적응
5. https://cloud.mail.ru/public/4YgN/ujdGWtAXf — 텍사스 인스트루먼트 TIB 0203 버블 메모리
6. https://cloud.mail.ru/public/4PRV/5qC4vyjLa — 메모리 구성 요소 핸드북. 인텔 1983.
7. https://cloud.mail.ru/public/4Mjv/41Xrp4Rii 7110 1메가비트 버블 메모리

출처 : habr.com