Foto fra forfatterens samling
1. Historie
Bobleminne, eller sylindrisk magnetisk domeneminne, er et ikke-flyktig minne utviklet ved Bell Labs i 1967 av Andrew Bobeck. Forskning har vist at små sylindriske magnetiske domener dannes i tynne enkrystallfilmer av ferritt og granater når et tilstrekkelig sterkt magnetfelt rettes vinkelrett på filmoverflaten. Ved å endre magnetfeltet kan disse boblene flyttes. Disse egenskapene gjør magnetiske bobler ideelle for å konstruere et sekvensielt bitlager, som et skiftregister, der tilstedeværelsen eller fraværet av en boble i en bestemt posisjon betyr at verdien av biten er null eller én. Diameteren på boblen er tideler av en mikron; én brikke kan lagre tusenvis av databiter. For eksempel, våren 1977, introduserte Texas Instruments først en brikke med en kapasitet på 92304 bits på markedet. Dette minnet er ikke-flyktig, noe som gjør det likt magnetbånd eller disk, men fordi det er solid-state og ikke har bevegelige deler, er det mer pålitelig enn tape eller disk, krever ikke vedlikehold, og er mye mindre og lettere. , og kan brukes i bærbare enheter.
Den opprinnelige oppfinneren av bobleminne, Andrew Bobek, foreslo en "endimensjonal" versjon av minnet, i form av en tråd som en tynn stripe av ferromagnetisk materiale er viklet på. Denne typen minne ble kalt "twistor", og ble til og med masseprodusert, men ble snart erstattet av den "to-dimensjonale" versjonen.
Du kan gjøre deg kjent med historien om opprettelsen av bobleminne i [1-3].
2. Driftsprinsipp
Her ber jeg deg tilgi meg, jeg er ikke fysiker, så presentasjonen vil være veldig omtrentlig.
Noen materialer (som gadolinium gallium granat) har en tendens til å bli magnetisert i bare én retning, og hvis et konstant magnetfelt påføres langs den aksen, vil de magnetiserte områdene danne noe som bobler, som vist i figuren nedenfor. Hver boble er bare noen få mikron i diameter.
Anta at vi har en tynn, omtrent 0,001 tommer, krystallinsk film av et slikt materiale, avsatt på et ikke-magnetisk, for eksempel glass, substrat.
Alt handler om de magiske boblene. Bildet til venstre - det er ikke noe magnetfelt, bildet til høyre - magnetfeltet er rettet vinkelrett på overflaten av filmen.
Hvis det dannes et mønster på overflaten av en film av et slikt materiale fra et magnetisk materiale, for eksempel permalloy, en jern-nikkel-legering, vil boblene magnetiseres til elementene i dette mønsteret. Vanligvis brukes T- eller V-formede mønstre.
En enkelt boble kan dannes av et magnetfelt på 100-200 oersted, som påføres vinkelrett på magnetfilmen og skapt av en permanent magnet, og et roterende magnetfelt dannet av to spoler i XY-retningene lar bobledomenene bevege seg fra en magnetisk "øy" til en annen, slik som vist på figuren. Etter å ha endret retningen på magnetfeltet fire ganger, vil domenet flytte seg fra en øy til den nærliggende.
Alt dette gjør at vi kan betrakte DMD-enheten som et skiftregister. Hvis vi genererer bobler i den ene enden av registeret og oppdager dem i den andre, kan vi snurre et visst mønster av bobler rundt og bruke systemet som en lagringsenhet, lese og skrive biter til bestemte tider.
Dette fører til fordelene og ulempene med minne på en digital MD: fordelen er ikke-flyktig (så lenge et vinkelrett felt skapt av permanente magneter påføres, vil ikke boblene forsvinne eller bevege seg fra deres posisjoner), og ulempen er en lang tilgangstid, fordi For å få tilgang til en vilkårlig bit, må du rulle hele skiftregisteret til ønsket posisjon, og jo lengre det er, jo flere sykluser vil dette kreve.
Mønster av magnetiske elementer på CD magnetisk film.
Opprettelsen av et magnetisk domene kalles "nucleation" på engelsk, og består i å påføre en strøm på flere hundre milliampere til viklingen i en tid på omtrent 100 ns, og skape et magnetfelt vinkelrett på filmen og motsatt av feltet til den permanente magneten. Dette skaper en magnetisk "boble" - et sylindrisk magnetisk domene i filmen. Prosessen er dessverre svært avhengig av temperatur; skriveoperasjonen kan mislykkes uten at det dannes en boble, eller flere bobler kan dannes.
Det brukes flere teknikker for å lese data fra film.
En metode, ikke-destruktiv avlesning, er å oppdage det svake magnetiske feltet til et sylindrisk domene ved hjelp av en magnetoresistiv sensor.
Den andre metoden er destruktiv lesing. Boblen overføres til et spesielt generasjons-/deteksjonsspor, der boblen ødelegges ved å magnetisere materialet i foroverretningen. Hvis materialet ble magnetisert i motsatt retning, det vil si at det var en boble til stede, vil dette føre til mer strøm i spolen og dette oppdages av den elektroniske kretsen. Etter dette må boblen genereres på nytt på et spesielt opptaksspor.
Imidlertid, hvis minnet er organisert som en kontinuerlig matrise, vil det ha to store ulemper. For det første vil tilgangstiden være veldig lang. For det andre vil en enkelt defekt i kjeden føre til fullstendig inoperabilitet av hele enheten. Derfor lager de minnet organisert i form av ett hovedspor og mange slavespor, som vist på figuren.
Bobleminne med ett kontinuerlig spor
Bobleminne med master/slave-spor
Denne minnekonfigurasjonen tillater ikke bare å redusere tilgangstiden betydelig, men gjør det også mulig å produsere minneenheter som inneholder et visst antall defekte spor. Minnekontrolleren må ta hensyn til dem og omgå dem under lese-/skriveoperasjoner.
Bildet under viser et tverrsnitt av en "brikke" med bobleminne.
Du kan også lese om driftsprinsippet til bobleminne i [4, 5].
3. Intel 7110
Intel 7110 - bobleminnemodul, MBM (magnetisk bobleminne) med en kapasitet på 1 MB (1048576 bits). Det er han som er avbildet på KDPV. 1 megabit er kapasiteten for lagring av brukerdata; tatt i betraktning redundante spor, er den totale kapasiteten 1310720 biter. Enheten inneholder 320 sløyfeformede spor (løkker) med en kapasitet på 4096 bit hver, men bare 256 av dem brukes til brukerdata, resten er en reserve for å erstatte "ødelagte" spor og for lagring av redundant feilrettingskode. Enheten har en "major track-minor loop"-arkitektur. Informasjon om aktive spor finnes i en egen bootstrap-løkke. På KDPV kan du se den heksadesimale koden trykt direkte på modulen. Dette er et kart over "ødelagte" spor, 80 heksadesimale sifre representerer 320 dataspor, aktive er representert med en bit, inaktive er representert med en nullbit.
Du kan lese den originale dokumentasjonen for modulen i [7].
Enheten har et hus med dobbeltrads pinnearrangement og monteres uten lodding (i en stikkontakt).
Strukturen til modulen er vist i figuren:
Minnearrayen er delt inn i to "halvseksjoner", som hver er delt inn i to "quads", hver fjerdedel har 80 slavespor. Modulen inneholder en plate med magnetisk materiale plassert inne i to ortogonale viklinger som skaper et roterende magnetfelt. For å gjøre dette tilføres trekantformede strømsignaler til viklingene, forskjøvet med 90 grader i forhold til hverandre. En sammenstilling av plate og viklinger er plassert mellom permanente magneter og plassert i et magnetisk skjold, som lukker den magnetiske fluksen skapt av permanentmagnetene og skjermer enheten mot eksterne magnetiske felt. Platen vippes i 2,5 grader, noe som skaper et lite forskyvningsfelt langs tilten. Dette feltet er ubetydelig sammenlignet med feltet til spolene, og forstyrrer ikke bevegelsen av bobler når enheten er i drift, men flytter boblene til faste posisjoner i forhold til permalloy-elementene når enheten er slått av. Den sterke vinkelrette komponenten til permanente magneter støtter eksistensen av boblemagnetiske domener.
Modulen inneholder følgende noder:
- Minneverdige spor. Direkte sporene av permalloy-elementer som holder og dirigerer boblene.
- Replikeringsgenerator. Tjener til replikering av vesikkelen, som konstant er tilstede på generasjonsstedet.
- Inngangsspor og utvekslingsnoder. De genererte boblene beveger seg langs inngangssporet. Bobler flyttes til et av 80 slavespor.
- Utgangsspor og replikeringsnode. Bobler trekkes fra dataspor uten å ødelegge dem. Boblen er delt i to deler, og en av dem sendes til utgangssporet.
- Detektor. Bobler fra utgangssporet kommer inn i den magnetoresistive detektoren.
- Boot track. Oppstartssporet inneholder informasjon om aktive og inaktive dataspor.
Nedenfor vil vi se nærmere på disse nodene. Du kan også lese beskrivelsen av disse nodene i [6].
Boble generasjon
For å generere boblen, helt i begynnelsen av inngangssporet er det en leder bøyd til en liten løkke. En strømpuls tilføres den, som skaper et magnetfelt i et veldig lite område sterkere enn feltet til permanente magneter. Pulsen skaper en boble på dette punktet, som forblir permanent, støttet av et konstant magnetfelt, og sirkulerer langs permalloy-elementet under påvirkning av et roterende magnetfelt. Hvis vi trenger å skrive en enhet inn i minnet, legger vi en kort puls til den ledende sløyfen, og som et resultat blir to bobler født (i figuren indikert som Bubble split frø). En av boblene suser i et roterende felt langs permalloybanen, den andre forblir på plass og får raskt sin opprinnelige størrelse. Den beveger seg deretter til et av slavesporene, og bytter plass med boblen som sirkulerer i den. Den når på sin side slutten av inngangssporet og forsvinner.
Bobleutveksling
Bobleutveksling skjer når en rektangulær strømpuls påføres den tilsvarende lederen. I dette tilfellet deler ikke boblen seg i to deler.
Leser data
Data sendes til utgangssporet ved å replikere det, og fortsetter å sirkulere i sporet etter å ha blitt lest. Dermed implementerer denne enheten en ikke-destruktiv lesemetode. For replikering ledes boblen under et langstrakt permalloy-element, som den strekker seg under. Det er også en sløyfeformet leder på toppen; hvis en strømpuls påføres sløyfen, vil boblen dele seg i to deler. Strømpulsen består av en kort seksjon med høy strøm for å dele boblen i to deler, og en lengre seksjon med lavere strøm for å lede boblen til utgangssporet.
På enden av utgangssporet er en bobledetektor, en magnetoresistiv bro laget av permalloy-elementer som danner en lang krets. Når en magnetisk boble faller under et permalloy-element, endres motstanden, og en potensiell forskjell på flere millivolt vises ved broutgangen. Formen på permalloy-elementene er valgt slik at boblen beveger seg langs dem, på slutten treffer den et spesielt "sikkerhets"-dekk og forsvinner.
Overflødighet
Enheten inneholder 320 spor, hver 4096 biter. Av disse er 272 aktive, 48 er reserve, inaktive.
Boot Loop
Enheten inneholder 320 dataspor, hvorav 256 er beregnet på lagring av brukerdata, resten kan være feil eller kan tjene som reservedeler for å erstatte defekte. Ett ekstra spor inneholder informasjon om bruken av dataspor, 12 bits per spor. Når strøm tilføres systemet, må det initialiseres. Under initialiseringsprosessen må kontrolleren lese oppstartsporet og skrive informasjon fra det til et spesielt register for formatbrikken/strømsensoren. Da vil kontrolleren kun bruke aktive spor, og inaktive vil bli ignorert og ingen opptak vil bli gjort til dem.
Datavarehus - Struktur
Fra brukerens synspunkt lagres dataene i 2048 sider på 512 bit hver. 256 byte med data, 14 biter feilrettingskode og 2 ubrukte biter er lagret i hver halvdel av enheten.
Feilretting
Feildeteksjon og korrigering kan utføres av en gjeldende sensorbrikke, som inneholder en 14-bits kodedekoder som korrigerer en enkelt feil på opptil 5 bits lengde (burst error) i hver blokk på 270 biter (inkludert selve koden). Koden legges til på slutten av hver 256-bits blokk. Korrigeringskoden kan brukes eller ikke brukes, etter brukerens skjønn kan kodesjekking slås på eller av i kontrolleren. Hvis ingen kode brukes, kan alle 270 biter brukes til brukerdata.
Tilgangstid
Magnetfeltet roterer med en frekvens på 50 kHz. Gjennomsnittlig tilgangstid til den første biten på den første siden er 41 ms, som er halvparten av tiden som kreves for å fullføre en hel sløyfe gjennom sporet pluss tiden det tar å fullføre utgangssporet.
320 aktive og reservespor er delt inn i fire deler på 80 spor hver. Denne organisasjonen reduserer tilgangstiden. Kvarter adresseres i par: hvert par med kvartaler inneholder henholdsvis partall og oddetall av ordet. Enheten inneholder fire inngangsspor med fire innledende bobler, og fire utgangsspor. Utgangssporene bruker to detektorer, de er organisert på en slik måte at en detektor aldri mottar to bobler fra to spor samtidig. Dermed blir de fire boblestrømmene multiplekset og konvertert til to bitstrømmer og lagret i registrene til den aktuelle sensorbrikken. Der blir innholdet i registrene igjen multiplekset og sendt til kontrolleren via det serielle grensesnittet.
I den andre delen av artikkelen skal vi se nærmere på kretsløpet til bobleminnekontrolleren.
4. Referanser
Forfatteren fant i de mørkeste hjørnene av nettverket og lagret for deg mye nyttig teknisk informasjon om minne på DMD, dens historie og andre relaterte aspekter:
1. — To minner om ingeniør Bobek
2. — To minner om ingeniør Bobek (del 2)
3. — Bobleminne
4. Tilpasning av magnetisk bobleminne i et standard mikrodatamaskinmiljø
5. - Texas Instruments TIB 0203 Bubble Memory
6. - Håndbok for minnekomponenter. Intel 1983.
7. 7110 1-megabit bobleminne
Kilde: www.habr.com