Меморија на цилиндрични магнетни домени. Дел 1. Како функционира

Фотографија од колекцијата на авторот

1. Историја

Меморијата на меурчиња, или цилиндричната меморија на магнетниот домен, е неиспарлива меморија развиена во Bell Labs во 1967 година од страна на Ендрју Бобек. Истражувањата покажаа дека малите цилиндрични магнетни домени се формираат во еднокристални тенки филмови од ферити и гранети кога доволно силно магнетно поле е насочено нормално на површината на филмот. Со промена на магнетното поле, овие меурчиња може да се преместат. Овие својства ги прават магнетните меурчиња идеални за конструирање на секвенцијална продавница за битови, како што е регистер за поместување, во кој присуството или отсуството на меур на одредена позиција значи дека вредноста на битот е нула или еден. Дијаметарот на меурот е десетини од микрон; еден чип може да складира илјадници битови податоци. На пример, во пролетта 1977 година, Texas Instruments за прв пат воведе чип со капацитет од 92304 бита на пазарот. Оваа меморија е неиспарлива, што ја прави слична на магнетна лента или диск, но бидејќи е во цврста состојба и нема подвижни делови, посигурна е од лентата или дискот, не бара одржување и е многу помала и полесна. и може да се користи во преносливи уреди.

Оригиналниот пронаоѓач на меморијата со меурчиња, Ендрју Бобек, предложил „еднодимензионална“ верзија на меморијата, во форма на конец на кој е намотана тенка лента од феромагнетен материјал. Овој вид меморија беше наречен „twistor“, па дури беше масовно произведен, но набрзо беше заменет со „дводимензионалната“ верзија.

Можете да прочитате за историјата на создавање меурска меморија во [1-3].

2. Принцип на работа

Еве ве молам да ми простите, јас не сум физичар, така што презентацијата ќе биде многу приближна.

Некои материјали (како гадолиниум галиум гранат) имаат тенденција да се магнетизираат само во една насока, и ако се примени постојано магнетно поле долж таа оска, магнетизираните области ќе формираат нешто како меурчиња, како што е прикажано на сликата подолу. Секој меур е во дијаметар само неколку микрони.

Да претпоставиме дека имаме тенок, околу 0,001 инчи, кристален филм од таков материјал, депониран на немагнетна, на пример, стакло, подлога.

Се работи за магичните меурчиња. Сликата лево - нема магнетно поле, сликата од десната страна - магнетното поле е насочено нормално на површината на филмот.

Ако се формира шема на површината на филм од таков материјал од магнетен материјал, на пример, пермалоли, легура на железо-никел, тогаш меурите ќе бидат магнетизирани на елементите на оваа шема. Вообичаено, се користат обрасци во форма на елементи во форма на Т или V.

Еден меур може да се формира со магнетно поле од 100-200 ерстови, кое се нанесува нормално на магнетната фолија и се создава со постојан магнет, а ротирачкото магнетно поле формирано од две намотки во насоките XY им овозможува на областите на меурчињата да се движат. од еден магнетен „остров“ до друг, како што е прикажано на сликата. По четири пати менување на правецот на магнетното поле, доменот ќе се пресели од еден остров на соседниот.

Сето ова ни овозможува да го сметаме уредот DMD како регистер за поместување. Ако генерираме меурчиња на едниот крај од регистарот и ги детектираме на другиот, можеме да вртиме одредена шема на меури наоколу и да го користиме системот како уред за складирање, читајќи и пишувајќи битови во одредено време.

Ова води до предностите и недостатоците на меморијата на дигиталниот MD: предноста е неиспарлива (се додека се применува нормално поле создадено од постојани магнети, меурите нема да исчезнат или да се движат од нивните позиции), а недостатокот е долг време на пристап, бидејќи За да пристапите до произволен бит, треба да го придвижите целиот регистар за поместување до саканата позиција, и колку е подолг, толку повеќе циклуси ќе бидат потребни.

Шема на магнетни елементи на ЦД магнетен филм.

Создавањето на магнетен домен на англиски се нарекува „нуклеација“ и се состои во примена на струја од неколку стотици милиампери на намотката за време од околу 100 ns и создавање магнетно поле нормално на филмот и спротивно на полето на постојаниот магнет. Ова создава магнетен „меур“ - цилиндричен магнетен домен во филмот. Процесот, за жал, е многу зависен од температурата; операцијата за запишување може да не успее без да се формира меур или може да се формираат неколку меурчиња.

Се користат неколку техники за читање податоци од филм.

Еден метод, недеструктивно читање, е да се открие слабото магнетно поле на цилиндричен домен со помош на магнеторезистивен сензор.

Вториот метод е деструктивно читање. Меурот се пренесува на специјална патека за генерирање/откривање, во која меурот се уништува со магнетизирање на материјалот во насока напред. Ако материјалот бил магнетизиран во спротивна насока, односно имало меур, тоа ќе предизвика поголема струја во серпентина и тоа се открива од електронското коло. По ова, меурот мора повторно да се генерира на посебна песна за снимање.


Меѓутоа, ако меморијата е организирана како една континуирана низа, тогаш таа ќе има две големи недостатоци. Прво, времето за пристап ќе биде многу долго. Второ, еден дефект во ланецот ќе доведе до целосна нефункционалност на целиот уред. Затоа, тие ја прават меморијата организирана во форма на една главна песна и многу slave траки, како што е прикажано на сликата.

Меморија со меурчиња со една континуирана песна

Меморија со меурчиња со траки за господар/помош

Оваа мемориска конфигурација овозможува не само значително да се намали времето на пристап, туку овозможува и производство на мемориски уреди кои содржат одреден број неисправни траки. Меморискиот контролер мора да ги земе предвид и да ги заобиколи при операциите за читање/запишување.

Сликата подолу покажува пресек на мемориски „чип“ со меурчиња.

Можете исто така да прочитате за принципот на меморија на меурчиња во [4, 5].

3. Intel 7110

Intel 7110 - мемориски модул за меурчиња, MBM (magnetic-bubble memory) со капацитет од 1 MB (1048576 бита). Токму тој е прикажан на KDPV. 1 мегабит е капацитет за складирање на кориснички податоци; земајќи ги предвид вишокот на траки, вкупниот капацитет е 1310720 бита. Уредот содржи 320 траки (јамки) во облик на јамка со капацитет од 4096 бита секоја, но само 256 од нив се користат за кориснички податоци, а остатокот е резерва за замена на „скршени“ траки и за складирање на вишок код за корекција на грешки. Уредот има архитектура „главна трака-ситна јамка“. Информациите за активните песни се содржани во посебна јамка за подигање. На KDPV можете да го видите хексадецималниот код испечатен директно на модулот. Ова е мапа на „скршени“ траки, 80 хексадецимални цифри претставуваат 320 податочни патеки, активните се претставени со еден бит, неактивните се претставени со нула бит.

Оригиналната документација за модулот можете да ја прочитате во [7].

Уредот има куќиште со распоред на иглички со два реда и е монтиран без лемење (во штекер).

Структурата на модулот е прикажана на сликата:

Мемориската низа е поделена на два „полусекции“, од кои секоја е поделена на два „четири“, секоја четвртина има 80 slave траки. Модулот содржи плоча со магнетен материјал сместена во две ортогонални намотки кои создаваат ротирачко магнетно поле. За да го направите ова, тековните сигнали во форма на триаголник се доставуваат до намотките, поместени за 90 степени едни на други. Склоп од плоча и намотки се поставува помеѓу постојаните магнети и се става во магнетен штит, кој го затвора магнетниот тек создаден од постојаните магнети и го штити уредот од надворешни магнетни полиња. Плочата е навалена за 2,5 степени, што создава мало поле за поместување долж навалувањето. Ова поле е занемарливо во споредба со полето на намотките и не го попречува движењето на меурите кога уредот работи, туку ги поместува меурите во фиксни позиции во однос на елементите од вештачка легура кога уредот е исклучен. Силната перпендикуларна компонента на постојаните магнети го поддржува постоењето на магнетни домени со меурчиња.

Модулот ги содржи следните јазли:

1. Незаборавни песни. Директно оние траги од вечнолегирани елементи што ги држат и насочуваат меурчињата.
2. Генератор за репликација. Служи за репликација на везикулата, која е постојано присутна на местото на создавање.
3. Внесување песна и размена на јазли. Создадените меурчиња се движат по влезната патека. Меурчињата се преместуваат на една од 80-те робови.
4. Излезна песна и јазол за репликација. Меурчињата се одземаат од патеките на податоци без да се уништат. Меурот се дели на два дела, а еден од нив оди до излезната патека.
5. Детектор. Меурчиња од излезната патека влегуваат во магнеторезистивниот детектор.
6. Патека за подигање. Траката за подигање содржи информации за активни и неактивни записи за податоци.

Подолу ќе ги разгледаме овие јазли подетално. Можете исто така да го прочитате описот на овие јазли во [6].

Генерирање меурчиња

За да се генерира меурот, на самиот почеток на влезната патека има проводник свиткан во мала јамка. Нему му се испорачува струен пулс, кој создава магнетно поле на многу мала област посилно од полето на постојаните магнети. Пулсот создава меур во оваа точка, кој останува трајно, поддржан од константно магнетно поле и циркулира по должината на пермали елементот под влијание на ротирачкото магнетно поле. Ако треба да напишеме единица во меморијата, применуваме краток пулс на спроводната јамка и како резултат на тоа се раѓаат два меурчиња (на сликата означена како Bubble split seed). Еден од меурите брза во ротирачко поле по должината на патеката од пермали, вториот останува на место и брзо ја добива својата оригинална големина. Потоа се преместува на една од робовите патеки и ги менува местата со меурот што циркулира во него. Тој, пак, стигнува до крајот на влезната патека и исчезнува.

Размена на меурчиња

Размената на меурчиња се случува кога правоаголен струен пулс се применува на соодветниот проводник. Во овој случај, меурот не се дели на два дела.

Читање податоци

Податоците се испраќаат до излезната патека со нејзино реплицирање и продолжуваат да циркулираат во нејзината патека откако ќе бидат прочитани. Така, овој уред имплементира недеструктивен метод за читање. За репликација, меурот се води под издолжен елемент од вештачка легура, под кој се протега. Одозгора има и проводник во облик на јамка; ако на јамката се примени тековен пулс, меурот ќе се подели на два дела. Тековниот пулс се состои од краток дел со висока струја за да се подели меурот на два дела и подолг дел од помала струја за да се насочи меурот кон излезната патека.

На крајот од излезната патека се наоѓа детектор на меурчиња, магнеторезистивен мост направен од елементи од вечна легура што формира долга кола. Кога магнетниот меур ќе падне под елемент од трајна легура, неговиот отпор се менува и на излезот на мостот се појавува потенцијална разлика од неколку миливолти. Обликот на елементите од пермали е избран така што меурот се движи по нив, на крајот удира во специјална „безбедна“ гума и исчезнува.

Вишок

Уредот содржи 320 песни, секоја од 4096 бита. Од нив 272 се активни, 48 се резервни, неактивни.

Јамка за подигање

Уредот содржи 320 записи за податоци, од кои 256 се наменети за складирање на кориснички податоци, останатите може да се неисправни или може да послужат како резервни за замена на неисправните. Една дополнителна песна содржи информации за користењето на податочните траки, 12 бита по песна. Кога напојувањето се применува на системот, тој мора да се иницијализира. За време на процесот на иницијализација, контролорот мора да ја прочита патеката за подигање и да запише информации од неа во посебен регистар на форматниот чип/тековен сензор. Тогаш контролорот ќе користи само активни песни, а неактивните ќе бидат игнорирани и нема да им се прави снимање.

Магацин на податоци - Структура

Од гледна точка на корисникот, податоците се чуваат на 2048 страници од по 512 бита. 256 бајти податоци, 14 бита код за корекција на грешка и 2 неискористени бита се зачувани во секоја половина од уредот.

Корекција на грешка

Откривањето и исправката на грешката може да се изврши со тековен сензорски чип, кој содржи 14-битен код декодер кој коригира единечна грешка до 5 бита во должина (грешка на рафал) во секој блок од 270 бита (вклучувајќи го и самиот код). Кодот е додаден на крајот на секој 256-битен блок. Кодот за корекција може да се користи или да не се користи, по дискреција на корисникот, проверката на кодот може да се вклучи или исклучи во контролорот. Ако не се користи код, сите 270 бита може да се користат за кориснички податоци.

Време на пристап

Магнетното поле ротира со фреквенција од 50 kHz. Просечното време за пристап до првиот бит од првата страница е 41 ms, што е половина од времето потребно за да се заврши целосната јамка низ патеката плус времето потребно за завршување на излезната патека.

320 активни и резервни патеки се поделени на четири дела од по 80 патеки. Оваа организација го намалува времето за пристап. Четвртините се адресираат во парови: секој пар четвртини ги содржи парните и непарните делови од зборот, соодветно. Уредот содржи четири влезни патеки со четири почетни меурчиња и четири излезни патеки. Излезните траки користат два детектори, тие се организирани на таков начин што еден детектор никогаш не прима два меурчиња од две траки истовремено. Така, четирите текови на меурчиња се мултиплексираат и се претвораат во два битови струи и се складираат во регистрите на тековниот сензорски чип. Таму, содржината на регистрите повторно се мултиплексира и се испраќа до контролорот преку серискиот интерфејс.

Во вториот дел од статијата ќе го разгледаме подетално колото на контролорот за меморија со меурчиња.

4. Референци

Авторот нашол во најтемните агли на мрежата и зачувал за вас многу корисни технички информации за меморијата на DMD, неговата историја и други сродни аспекти:

1. https://old.computerra.ru/vision/621983/ — Две спомени на инженерот Бобек
2. https://old.computerra.ru/vision/622225/ - Две спомени на инженерот Бобек (втор дел)
3. http://www.wikiwand.com/en/Bubble_memory - Меморија со меурчиња
4. https://cloud.mail.ru/public/3qNi/33LMQg8Fn Адаптација на меморијата со магнетни меурчиња во стандардна средина на микрокомпјутер
5. https://cloud.mail.ru/public/4YgN/ujdGWtAXf - Тексас Инструментс TIB 0203 меурска меморија
6. https://cloud.mail.ru/public/4PRV/5qC4vyjLa - Прирачник за мемориски компоненти. Интел 1983 година.
7. https://cloud.mail.ru/public/4Mjv/41Xrp4Rii 7110 1-мегабитна меурска меморија

Извор: www.habr.com