Foto uit de collectie van de auteur
1. Het verhaal
Bubble-geheugen, of cilindrisch magnetisch domeingeheugen, is een niet-vluchtig geheugen dat in 1967 bij Bell Labs is ontwikkeld door Andrew Bobeck. Studies hebben aangetoond dat kleine cilindrische magnetische domeinen worden gevormd in monokristallijne dunne films van ferrieten en granaten wanneer een voldoende sterk magnetisch veld loodrecht op het oppervlak van de film wordt gericht. Door het magnetische veld te veranderen, kunnen deze bellen worden verplaatst. Dergelijke eigenschappen maken magnetische bellen ideaal voor het bouwen van seriële bitopslag, zoals een schuifregister, waarin de aanwezigheid of afwezigheid van een bel op een bepaalde positie een waarde van nul of één bit aangeeft. De bubbel heeft een diameter van tienden van een micron en een enkele chip kan duizenden bits aan gegevens opslaan. Zo bracht Texas Instruments bijvoorbeeld in het voorjaar van 1977 voor het eerst een chip met een capaciteit van 92304 bits op de markt. Dit geheugen is niet-vluchtig, waardoor het lijkt op magneetband of schijf, maar omdat het in vaste toestand is en geen bewegende delen heeft, is het betrouwbaarder dan band of schijf, vereist het geen onderhoud en is het veel kleiner en lichter. kan worden gebruikt in draagbare apparaten.
Aanvankelijk stelde de uitvinder van het bellengeheugen, Andrew Bobek, een "eendimensionale" versie van het geheugen voor, in de vorm van een draad waaromheen een dunne strook ferromagnetisch materiaal is gewikkeld. Zo'n geheugen werd "twistor" -geheugen genoemd en werd zelfs in massa geproduceerd, maar werd al snel vervangen door de "tweedimensionale" versie.
U kunt lezen over de geschiedenis van het maken van bellengeheugen in [1-3].
2. Werkingsprincipe
Hier vraag ik je om me te vergeven, ik ben geen natuurkundige, dus de presentatie zal zeer benaderend zijn.
Sommige materialen (zoals gadolinium gallium-granaat) hebben de eigenschap dat ze slechts in één richting worden gemagnetiseerd, en als er langs deze as een constant magnetisch veld wordt aangelegd, vormen de gemagnetiseerde gebieden zoiets als bellen, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding. Elke luchtbel heeft een diameter van slechts enkele microns.
Stel dat we een dunne, in de orde van grootte van 0,001 inch, kristallijne film van een dergelijk materiaal hebben, afgezet op een niet-magnetisch, zoals glas, substraat.
Het draait allemaal om de magische bubbels. De afbeelding links - er is geen magnetisch veld, de afbeelding rechts - het magnetische veld is loodrecht op het filmoppervlak gericht.
Als op het oppervlak van een film van een dergelijk materiaal een patroon wordt gevormd uit een magnetisch materiaal, bijvoorbeeld permalloy, een ijzer-nikkellegering, dan zullen de bellen worden gemagnetiseerd naar de elementen van dit patroon. Meestal worden patronen in de vorm van T-vormige of V-vormige elementen gebruikt.
Een enkele bel kan worden gevormd door een magnetisch veld van 100-200 oersteds, dat loodrecht op de magnetische film wordt aangebracht en wordt gecreëerd door een permanente magneet, en een roterend magnetisch veld gevormd door twee spoelen in de XY-richtingen, stelt u in staat om te bewegen de bubbeldomeinen van het ene magnetische "eiland" naar het andere, zoals weergegeven in de figuur. Na een viervoudige verandering in de richting van het magnetisch veld, zal het domein zich van het ene eiland naar het andere verplaatsen.
Dit alles stelt ons in staat om het CMD-apparaat als een schuifregister te beschouwen. Als we bellen vormen aan het ene uiteinde van het register en ze detecteren aan het andere uiteinde, dan kunnen we een bepaald patroon van bellen rondblazen en het systeem gebruiken als een geheugenapparaat, waarbij we op bepaalde tijden bits lezen en schrijven.
Volg vanaf hier de voor- en nadelen van CMD-geheugen: het voordeel is energie-onafhankelijkheid (zolang een loodrecht veld gecreëerd door permanente magneten wordt toegepast, zullen de bellen nergens verdwijnen en niet van hun posities bewegen), en het nadeel is een lange toegangstijd, omdat om toegang te krijgen tot een willekeurig bit, moet u het hele schuifregister naar de gewenste positie scrollen, en hoe langer het is, hoe meer cycli dit vereist.
Het patroon van magnetische elementen op de CMD magnetische film.
Het creëren van een magnetisch domein wordt in het Engels "kiemvorming" genoemd en bestaat erin dat een stroom van enkele honderden milliampère wordt toegepast op de wikkeling gedurende een tijd van ongeveer 100 ns, en er ontstaat een magnetisch veld dat loodrecht op de wikkeling staat. film en tegengesteld aan het veld van een permanente magneet. Dit creëert een magnetische "bubbel" - een cilindrisch magnetisch domein in de film. Het proces is helaas sterk afhankelijk van de temperatuur, het is mogelijk dat een schrijfbewerking mislukt zonder dat er een bel wordt gevormd, of dat er meerdere bellen ontstaan.
Er worden verschillende technieken gebruikt om gegevens uit een film te lezen.
Eén manier, niet-destructief lezen, is het detecteren van het zwakke magnetische veld van het cilindrische domein met behulp van een magnetoresistieve sensor.
De tweede manier is destructief lezen. De bel wordt naar een speciaal generatie-/detectiespoor gebracht, waar de bel wordt vernietigd door voorwaartse magnetisatie van het materiaal. Als het materiaal omgekeerd gemagnetiseerd was, d.w.z. als er een bel aanwezig was, zou dit meer stroom in de spoel veroorzaken en dit zou worden gedetecteerd door de elektronische schakelingen. Daarna moet de bubbel opnieuw worden gegenereerd op een speciaal opnamespoor.
Als het geheugen echter is georganiseerd als één aaneengesloten array, heeft het twee grote nadelen. Ten eerste zal de toegangstijd erg lang zijn. Ten tweede zal een enkel defect in de keten leiden tot de volledige onbruikbaarheid van het hele apparaat. Daarom maken ze een geheugen georganiseerd in de vorm van één hoofdspoor en veel ondergeschikte sporen, zoals weergegeven in de afbeelding.
Bellengeheugen met één doorlopende track
Bubble-geheugen met master/slave-tracks
Een dergelijke geheugenconfiguratie maakt het niet alleen mogelijk om de toegangstijd sterk te verkorten, maar maakt ook de productie mogelijk van geheugenapparaten die een bepaald aantal defecte tracks bevatten. De geheugencontroller moet hiermee rekening houden en deze omzeilen tijdens lees-/schrijfbewerkingen.
Onderstaande figuur toont een dwarsdoorsnede van een bellengeheugen "chip".
Over het principe van bellengeheugen kun je ook lezen in [4, 5].
3. Intel 7110
Intel 7110 - bubble-geheugenmodule, MBM (magnetic-bubble memory) met een capaciteit van 1 MB (1048576 bits). Hij is het die wordt afgebeeld op de KDPV. 1 megabit is de capaciteit voor het opslaan van gebruikersgegevens, rekening houdend met redundante tracks, de totale capaciteit is 1310720 bits. Het apparaat bevat 320 doorgeluste tracks (loops) met een capaciteit van elk 4096 bits, maar slechts 256 daarvan worden gebruikt voor gebruikersgegevens, de rest is een reserve voor het vervangen van "gebroken" tracks en voor het opslaan van overtollige foutcorrectiecode. Het apparaat heeft een major track-minor loop-architectuur. Informatie over actieve tracks is opgenomen in een aparte boottrack (bootstrap-lus). Op de KDPV ziet u de hexadecimale code direct op de module afgedrukt. Dit is de kaart van "gebroken" tracks, 80 hexadecimale cijfers vertegenwoordigen 320 datatracks, actieve tracks worden weergegeven door een enkele bit, inactieve tracks door nul.
U kunt de originele documentatie voor de module lezen in [7].
Het apparaat heeft een behuizing met een dubbele rij pinnen en wordt zonder solderen (in een socket) gemonteerd.
De structuur van de module wordt weergegeven in de afbeelding:
De geheugenarray is verdeeld in twee "halve secties" (halve secties), die elk zijn verdeeld in twee "kwartalen" (quads), elk kwart heeft 80 slave-tracks. De module bevat een plaat met magnetisch materiaal binnen twee orthogonale wikkelingen die een roterend magnetisch veld creëren. Om dit te doen, worden stroomsignalen met een driehoekige vorm, 90 graden ten opzichte van elkaar verplaatst, op de wikkelingen toegepast. Het samenstel van de plaat en wikkelingen wordt tussen de permanente magneten geplaatst en in een magnetisch schild geplaatst dat de magnetische flux die wordt gegenereerd door de permanente magneten sluit en het apparaat afschermt tegen externe magnetische velden. De plaat wordt op een helling van 2,5 graden geplaatst, waardoor een klein verplaatsingsveld langs de helling ontstaat. Dit veld is verwaarloosbaar in vergelijking met het veld van de spoelen en interfereert niet met de beweging van de bellen tijdens de werking van het apparaat, maar verschuift de bellen naar vaste posities ten opzichte van de permalloy-elementen wanneer het apparaat wordt uitgeschakeld. De sterke loodrechte component van permanente magneten ondersteunt het bestaan van bubbelmagnetische domeinen.
De module bevat de volgende knooppunten:
- Geheugensporen. Direct die sporen van permalloy-elementen die de bellen vasthouden en geleiden.
- replicatie generator. Dient voor de replicatie van de bubbel, die constant aanwezig is op de plaats van generatie.
- Voer spoor in en wissel knooppunten uit. De gegenereerde bubbels bewegen langs het invoerspoor. Bubbles worden verplaatst naar een van de 80 slave-tracks.
- Uitvoerspoor en replicatieknooppunt. Bellen worden afgetrokken van datatracks zonder ze te vernietigen. De bubbel splitst zich in twee delen en een ervan gaat naar het uitvoerspoor.
- Detector. Bellen van het uitvoerspoor komen de magnetoresistieve detector binnen.
- Spoor laden. De opstarttrack bevat informatie over actieve en inactieve datatracks.
Hieronder zullen we deze knooppunten in meer detail bekijken. Je kunt de beschrijving van deze knooppunten ook lezen in [6].
bubbel generatie
Om een luchtbel te genereren, is er helemaal aan het begin van het invoerspoor een geleider gebogen in de vorm van een kleine lus. Er wordt een stroompuls op toegepast, die een magnetisch veld creëert in een zeer klein gebied dat sterker is dan het veld van permanente magneten. De impuls creëert op dit punt een luchtbel, die permanent in stand wordt gehouden door een constant magnetisch veld en onder invloed van een roterend magnetisch veld langs het permalloy-element circuleert. Als we een eenheid naar het geheugen moeten schrijven, passen we een korte puls toe op de geleidende lus, en als resultaat worden twee bellen geboren (aangegeven als Bubble split seed in de figuur). Een van de bubbels wordt door het roterende veld langs de permalloy-baan gehaast, de tweede blijft op zijn plaats en krijgt snel zijn oorspronkelijke grootte. Het beweegt dan naar een van de slaafsporen en verwisselt van plaats met de bubbel die erin circuleert. Het bereikt op zijn beurt het einde van het invoerspoor en verdwijnt.
bubbel uitwisseling
Bellenuitwisseling vindt plaats wanneer een rechthoekige stroompuls wordt toegepast op de overeenkomstige geleider. In dit geval splitst de bubbel zich niet in twee delen.
Gegevens lezen
De gegevens worden door replicatie naar het uitvoerspoor gestuurd en blijven na het lezen in het spoor circuleren. Dit apparaat implementeert dus een niet-destructieve leesmethode. Om te repliceren, wordt de bel onder een langwerpig permalloy-element geleid, waaronder hij wordt uitgerekt. Hierboven bevindt zich ook een geleider in de vorm van een lus, als een stroompuls op de lus wordt toegepast, wordt de bel in twee delen verdeeld. De stroompuls bestaat uit een korte sectie met hoge stroom om de bel in twee delen te splitsen, en een langere sectie met minder stroom om de bel naar de uitgangsbaan te leiden.
Aan het einde van het uitvoerspoor bevindt zich de Bubble Detector, een magnetoresistieve brug gemaakt van permalloy-elementen die een lang circuit vormen. Wanneer een magnetische bel onder een permalloy-element valt, verandert de weerstand ervan en verschijnt er een potentiaalverschil van enkele millivolt aan de uitgang van de brug. De vorm van de permalloy-elementen is zo gekozen dat de luchtbel erlangs beweegt, aan het einde een speciale "beschermband" raakt en verdwijnt.
Ontslag
Het apparaat bevat 320 tracks, elk met 4096 bits. Hiervan zijn er 272 actief, 48 reserve, inactief.
Opstarttrack (Boot Loop)
Het apparaat bevat 320 datatracks, waarvan 256 bedoeld zijn voor het opslaan van gebruikersgegevens, de rest kan defect zijn of kan dienen als reserve om defecte te vervangen. Een extra track bevat informatie over het gebruik van datatracks, 12 bits per track. Wanneer het systeem is opgestart, moet het worden geïnitialiseerd. Tijdens het initialisatieproces moet de controller de opstarttrack lezen en er informatie van schrijven naar een speciaal register van de formatteerchip/stroomsensor. De controller gebruikt dan alleen actieve tracks en inactieve tracks worden genegeerd en er wordt niet naar geschreven.
Datawarehouse - Structuur
Vanuit het oogpunt van de gebruiker worden de gegevens opgeslagen in 2048 pagina's van elk 512 bits. In elke helft van het apparaat zijn 256 bytes aan gegevens, 14 bits foutcorrectiecode en 2 ongebruikte bits opgeslagen.
Foutcorrectie
Foutdetectie en -correctie kan worden uitgevoerd door een huidige sensorchip, die een 14-bits codedecoder bevat die een enkele fout van maximaal 5 bits lang (burst-fout) corrigeert in elk blok van 270 bits (inclusief de code zelf). De code wordt toegevoegd aan het einde van elk 256-bits blok. De correctiecode kan wel of niet worden gebruikt, op verzoek van de gebruiker kan codeverificatie in de controller worden in- of uitgeschakeld. Als er geen code wordt gebruikt, kunnen alle 270 bits worden gebruikt voor gebruikersgegevens.
Toegangstijd
Het magnetische veld roteert met een frequentie van 50 kHz. De gemiddelde toegangstijd tot het eerste bit van de eerste pagina is 41 ms, wat de helft is van de tijd die nodig is om een volledige cyclus door de track te voltooien plus de tijd die nodig is om door de uitvoertrack te gaan.
De 320 actieve en reservetracks zijn verdeeld in vier delen van elk 80 tracks. Deze organisatie verkort de toegangstijd. Kwartalen worden in paren geadresseerd: elk paar kwartalen bevat respectievelijk even en oneven bits van het woord. Het apparaat bevat vier ingangssporen met vier initiële bellen en vier uitgangssporen. De uitvoersporen gebruiken twee detectoren, ze zijn zo georganiseerd dat twee bellen van twee sporen nooit tegelijkertijd één detector raken. De vier bellenstromen worden dus gemultiplext en omgezet in twee bitstromen en opgeslagen in de registers van de huidige sensorchip. Daar wordt de inhoud van de registers weer gemultiplext en via de seriële interface naar de controller gestuurd.
In het tweede deel van het artikel gaan we dieper in op de circuits van de bubble memory controller.
4. Referenties
De auteur vond in de donkerste uithoeken van het netwerk en bewaarde veel nuttige technische informatie over het geheugen van de CMD, zijn geschiedenis en andere gerelateerde aspecten:
1. — Twee herinneringen aan ingenieur Bobek
2. - Twee herinneringen aan ingenieur Bobek (deel 2)
3. - Bubbelgeheugen
4. Aanpassing van Magnetic Bubble Memory in een standaard microcomputeromgeving
5. — Texas Instruments TIB 0203 Bubble-geheugen
6. - Handboek geheugencomponenten. Intel 1983.
7. 7110 1-Megabit Bubble-geheugen
Bron: www.habr.com