Foto z autorkinej zbierky
1. príbeh
Bublinová pamäť alebo cylindrická pamäť s magnetickou doménou je energeticky nezávislá pamäť vyvinutá v Bell Labs v roku 1967 Andrewom Bobeckom. Štúdie ukázali, že malé cylindrické magnetické domény sa tvoria v monokryštálových tenkých filmoch feritov a granátov, keď je dostatočne silné magnetické pole nasmerované kolmo na povrch filmu. Zmenou magnetického poľa sa tieto bubliny môžu pohybovať. Vďaka týmto vlastnostiam sú magnetické bubliny ideálne na vytváranie sekvenčného úložiska bitov, ako je posuvný register, v ktorom prítomnosť alebo neprítomnosť bubliny v určitej polohe indikuje nulovú alebo jednu bitovú hodnotu. Bublina má priemer desatiny mikrónu a jeden čip dokáže uložiť tisíce bitov dát. Takže napríklad na jar 1977 spoločnosť Texas Instruments prvýkrát uviedla na trh čip s kapacitou 92304 bitov. Táto pamäť je energeticky nezávislá, vďaka čomu je podobná magnetickej páske alebo disku, ale keďže je polovodičová a neobsahuje žiadne pohyblivé časti, je spoľahlivejšia ako páska alebo disk, nevyžaduje údržbu a je oveľa menšia a ľahšia. a možno ich použiť v prenosných zariadeniach.
Pôvodne vynálezca bublinkovej pamäte Andrew Bobek navrhol „jednorozmernú“ verziu pamäte vo forme vlákna, okolo ktorého je navinutý tenký pásik feromagnetického materiálu. Takáto pamäť sa nazývala „twistorová“ pamäť a bola dokonca sériovo vyrábaná, ale čoskoro bola nahradená „dvojrozmernou“ verziou.
O histórii vzniku bublinkovej pamäte si môžete prečítať v [1-3].
2. Princíp fungovania
Tu vás prosím o odpustenie, nie som fyzik, takže prezentácia bude veľmi približná.
Niektoré materiály (napríklad granát gadolínia a gália) majú tú vlastnosť, že sú magnetizované iba v jednom smere, a ak sa pozdĺž tejto osi aplikuje konštantné magnetické pole, zmagnetizované oblasti vytvoria niečo ako bubliny, ako je znázornené na obrázku nižšie. Každá bublina má priemer len niekoľko mikrónov.
Predpokladajme, že máme tenký, rádovo 0,001 palca, kryštalický film takéhoto materiálu nanesený na nemagnetickom substráte, ako je sklo.
Je to všetko o magických bublinách. Obrázok vľavo - nie je žiadne magnetické pole, obrázok vpravo - magnetické pole smeruje kolmo na povrch filmu.
Ak sa na povrchu filmu z takéhoto materiálu vytvorí vzor z magnetického materiálu, napríklad permalloy, zliatiny železa a niklu, potom sa bubliny zmagnetizujú na prvky tohto vzoru. Typicky sa používajú vzory vo forme prvkov v tvare T alebo V.
Jedna bublina môže byť vytvorená magnetickým poľom 100-200 oerstedov, ktoré je aplikované kolmo na magnetický film a je vytvorené permanentným magnetom, a rotujúce magnetické pole tvorené dvoma cievkami v smeroch XY, umožňuje pohyb bublinové domény z jedného magnetického "ostrova" na druhý, ako je to znázornené na obrázku. Po štvornásobnej zmene smeru magnetického poľa sa doména presunie z jedného ostrova na druhý.
To všetko nám umožňuje považovať zariadenie CMD za posuvný register. Ak vytvoríme bubliny na jednom konci registra a zistíme ich na druhom, potom môžeme okolo seba rozfúkať určitý vzor bublín a použiť systém ako pamäťové zariadenie, čítať a zapisovať bity v určitých časoch.
Odtiaľto vyplývajú výhody a nevýhody CMD pamätí: výhodou je energetická nezávislosť (pokiaľ je aplikované kolmé pole vytvorené permanentnými magnetmi, bubliny nikam nezmiznú a nebudú sa pohybovať zo svojich pozícií) a nevýhodou je dlhý prístupový čas, pretože na prístup k ľubovoľnému bitu musíte posunúť celý posuvný register do požadovanej polohy a čím je dlhšia, tým viac cyklov si to vyžiada.
Vzor magnetických prvkov na magnetickom filme CMD.
Vytvorenie magnetickej domény sa v angličtine nazýva „nucleation“ a spočíva v tom, že do vinutia sa po dobu asi 100 ns privedie prúd niekoľko stoviek miliampérov a vytvorí sa magnetické pole, ktoré je kolmé na filmu a oproti poľu permanentného magnetu. Vznikne tak magnetická „bublina“ – valcová magnetická doména vo fólii. Proces je, žiaľ, veľmi závislý od teploty, je možné, že operácia zápisu zlyhá bez vytvorenia bubliny, alebo sa môže vytvoriť viacero bublín.
Na čítanie údajov z filmu sa používa niekoľko techník.
Jedným zo spôsobov, nedeštruktívne čítanie, je detekcia slabého magnetického poľa cylindrickej domény pomocou magnetorezistentného senzora.
Druhým spôsobom je deštruktívne čítanie. Bublina je nasmerovaná na špeciálnu generačnú/detekčnú dráhu, kde je bublina zničená doprednou magnetizáciou materiálu. Ak by bol materiál reverzne magnetizovaný, t. j. bola prítomná bublina, spôsobilo by to väčší prúd v cievke a to by bolo detekované elektronickým obvodom. Potom musí byť bublina znovu vygenerovaná na špeciálnej záznamovej stope.
Ak je však pamäť organizovaná ako jedno súvislé pole, bude mať dve veľké nevýhody. Po prvé, čas prístupu bude veľmi dlhý. Po druhé, jediná chyba v reťazci povedie k úplnej nefunkčnosti celého zariadenia. Preto vytvárajú pamäť organizovanú vo forme jednej hlavnej stopy a mnohých vedľajších stôp, ako je znázornené na obrázku.
Bublinová pamäť s jednou súvislou stopou
Bublinová pamäť so stopami master/slave
Takáto konfigurácia pamäte umožňuje nielen výrazne skrátiť prístupový čas, ale umožňuje aj výrobu pamäťových zariadení obsahujúcich určitý počet chybných stôp. Pamäťový radič ich musí brať do úvahy a obísť ich počas operácií čítania/zápisu.
Na obrázku nižšie je znázornený prierez „čipu“ s bublinkovou pamäťou.
O princípe bublinkovej pamäte si môžete prečítať aj v [4, 5].
3. Intel 7110
Intel 7110 - modul bublinkovej pamäte, MBM (magnetic-bubble memory) s kapacitou 1 MB (1048576 bitov). Je to on, kto je zobrazený na KDPV. 1 megabit je kapacita pre ukladanie užívateľských dát, berúc do úvahy redundantné stopy, celková kapacita je 1310720 bitov. Zariadenie obsahuje 320 zacyklených stôp (slučiek) s kapacitou každej 4096 bitov, no len 256 z nich slúži pre užívateľské dáta, zvyšok je rezerva na nahradenie „rozbitých“ stôp a na uloženie redundantného kódu na opravu chýb. Zariadenie má architektúru hlavnej slučky trať-vedľajšia. Informácie o aktívnych stopách sú obsiahnuté v samostatnej bootovacej stope (bootstrap loop). Na KDPV môžete vidieť hexadecimálny kód vytlačený priamo na module. Toto je mapa „prerušených“ stôp, 80 hexadecimálnych číslic predstavuje 320 dátových stôp, aktívne sú reprezentované jedným bitom, neaktívne nulou.
Originálnu dokumentáciu modulu si môžete prečítať v [7].
Prístroj má puzdro s dvojradovým usporiadaním kolíkov a montuje sa bez spájkovania (do objímky).
Štruktúra modulu je znázornená na obrázku:
Pamäťové pole je rozdelené na dve "polovičné sekcie" (polovičné sekcie), z ktorých každá je rozdelená na dve "štvrtiny" (quads), každá štvrtina má 80 slave stôp. Modul obsahuje platňu s magnetickým materiálom umiestnenú vo vnútri dvoch ortogonálnych vinutí, ktoré vytvárajú rotujúce magnetické pole. Na tento účel sa na vinutia privádzajú prúdové signály trojuholníkového tvaru, ktoré sú voči sebe navzájom posunuté o 90 stupňov. Zostava dosky a vinutia je umiestnená medzi permanentnými magnetmi a umiestnená v magnetickom tienení, ktoré uzatvára magnetický tok generovaný permanentnými magnetmi a tieni zariadenie pred vonkajšími magnetickými poľami. Doska je umiestnená v sklone 2,5 stupňa, čo vytvára malé posunové pole pozdĺž svahu. Toto pole je zanedbateľné v porovnaní s poľom cievok a neinterferuje s pohybom bublín počas prevádzky zariadenia, ale posúva bubliny do pevných polôh vzhľadom na permalloy prvky, keď je zariadenie vypnuté. Silná kolmá zložka permanentných magnetov podporuje existenciu bublinových magnetických domén.
Modul obsahuje nasledujúce uzly:
- Pamäťové stopy. Priamo tie stopy permalloy prvkov, ktoré držia a vedú bubliny.
- replikačný generátor. Slúži na replikáciu bubliny, ktorá je neustále prítomná v mieste generovania.
- Vstupné sledovacie a výmenné uzly. Vygenerované bubliny sa pohybujú pozdĺž vstupnej dráhy. Bubliny sú presunuté do jednej z 80 podriadených dráh.
- Výstupná dráha a uzol replikácie. Bubliny sa odčítajú z údajových stôp bez ich zničenia. Bublina sa rozdelí na dve časti a jedna z nich ide na výstupnú dráhu.
- Detektor. Bubliny z výstupnej stopy vstupujú do magnetorezistentného detektora.
- Načítava sa stopa. Zavádzacia stopa obsahuje informácie o aktívnych a neaktívnych dátových stopách.
Nižšie sa pozrieme na tieto uzly podrobnejšie. Popis týchto uzlov si môžete prečítať aj v [6].
bublinová generácia
Na vytvorenie bubliny je na samom začiatku vstupnej dráhy vodič ohnutý vo forme malej slučky. Je naň privedený prúdový impulz, ktorý na veľmi malej ploche vytvorí magnetické pole silnejšie ako pole permanentných magnetov. Impulz v tomto bode vytvára bublinu, ktorá zostáva trvalo udržiavaná konštantným magnetickým poľom a cirkuluje pozdĺž permalloy prvku pod vplyvom rotujúceho magnetického poľa. Ak potrebujeme zapísať jednotku do pamäte, aplikujeme krátky impulz na vodivú slučku a ako výsledok sa zrodia dve bubliny (na obrázku označené ako Bubble split seed). Jedna z bublín je hnaná rotujúcim poľom po permalloy dráhe, druhá zostáva na mieste a rýchlo nadobúda svoju pôvodnú veľkosť. Potom sa presunie na jednu z podriadených dráh a vymení si miesto s bublinou, ktorá v nej cirkuluje. Na druhej strane dosiahne koniec vstupnej stopy a zmizne.
výmena bublín
K výmene bublín dochádza, keď sa na zodpovedajúci vodič aplikuje obdĺžnikový prúdový impulz. V tomto prípade sa bublina nerozdelí na dve časti.
Čítanie údajov
Dáta sa posielajú do výstupnej stopy replikáciou a po prečítaní pokračujú v obehu vo svojej stope. Toto zariadenie teda implementuje nedeštruktívny spôsob čítania. Na replikáciu je bublina nasmerovaná pod podlhovastý permalloy prvok, pod ktorým je natiahnutá. Hore je tiež vodič vo forme slučky, ak sa na slučku aplikuje prúdový impulz, bublina sa rozdelí na dve časti. Prúdový impulz pozostáva z krátkej časti vysokého prúdu na rozdelenie bubliny na dve časti a dlhšej časti s nižším prúdom na nasmerovanie bubliny na výstupnú dráhu.
Na konci výstupnej dráhy je Bubble Detector, magnetorezistívny mostík vyrobený z permalloy prvkov tvoriacich dlhý obvod. Keď magnetická bublina spadne pod permalloy prvok, zmení sa jej odpor a na výstupe mostíka sa objaví potenciálny rozdiel niekoľkých milivoltov. Tvar permalloy prvkov je zvolený tak, aby sa bublina pohybovala pozdĺž nich, na konci zasiahla špeciálnu „ochrannú“ pneumatiku a zmizne.
Nadbytok
Zariadenie obsahuje 320 stôp, každá má 4096 bitov. Z toho je 272 aktívnych, 48 náhradných, neaktívnych.
Boot track (Boot Loop)
Zariadenie obsahuje 320 dátových stôp, z ktorých je 256 určených na ukladanie užívateľských dát, zvyšok môže byť chybný alebo môže slúžiť ako náhradné diely na výmenu chybných. Jedna dodatočná stopa obsahuje informácie o použití dátových stôp, 12 bitov na stopu. Keď je systém zapnutý, musí sa inicializovať. Počas procesu inicializácie musí ovládač prečítať bootovaciu stopu a zapísať z nej informácie do špeciálneho registra formátovacieho čipu / prúdového snímača. Potom bude ovládač používať iba aktívne stopy a neaktívne budú ignorované a nebude sa do nich zapisovať.
Dátový sklad – štruktúra
Z pohľadu používateľa sú dáta uložené na 2048 stranách po 512 bitoch. V každej polovici zariadenia je uložených 256 bajtov dát, 14 bitov kódu na opravu chýb a 2 nevyužité bity.
Oprava chýb
Detekciu a opravu chýb môže vykonávať aktuálny senzorový čip, ktorý obsahuje 14-bitový kódový dekodér, ktorý opravuje jednu chybu s dĺžkou až 5 bitov (burst error) v každom bloku 270 bitov (vrátane samotného kódu). Kód je pripojený na koniec každého 256-bitového bloku. Korekčný kód je možné použiť alebo nepoužiť, na žiadosť užívateľa je možné overenie kódu zapnúť alebo vypnúť v ovládači. Ak sa nepoužije žiadny kód, všetkých 270 bitov možno použiť pre používateľské dáta.
Čas prístupu
Magnetické pole rotuje s frekvenciou 50 kHz. Priemerný čas prístupu k prvému bitu prvej stránky je 41 ms, čo je polovica času potrebného na dokončenie celého cyklu cez stopu plus čas, ktorý je potrebný na prechod cez výstupnú stopu.
320 aktívnych a náhradných tratí je rozdelených do štyroch častí po 80 tratí. Táto organizácia skracuje čas prístupu. Štvrtiny sú adresované v pároch: každý pár štvrťrokov obsahuje párne a nepárne bity slova. Zariadenie obsahuje štyri vstupné stopy so štyrmi počiatočnými bublinami a štyri výstupné stopy. Výstupné stopy využívajú dva detektory, sú organizované tak, že dve bubliny z dvoch stôp nikdy nezasiahnu jeden detektor súčasne. Štyri bublinové prúdy sú teda multiplexované a konvertované na dva bitové prúdy a uložené v registroch aktuálneho senzorového čipu. Tam sa obsah registrov opäť zmultiplexuje a cez sériové rozhranie sa pošle do kontroléra.
V druhej časti článku sa bližšie pozrieme na obvody ovládača bublinkovej pamäte.
4. Referencie
Autor našiel v najtemnejších zákutiach siete a uložil pre vás množstvo užitočných technických informácií o pamäti na CMD, jej histórii a ďalších súvisiacich aspektoch:
1. — Dve spomienky inžiniera Bobka
2. - Dve spomienky inžiniera Bobeka (2. časť)
3. — Bublinová pamäť
4. Adaptácia magnetickej bublinkovej pamäte v štandardnom prostredí mikropočítača
5. — Texas Instruments TIB 0203 Bublinová pamäť
6. — Príručka pamäťových komponentov. Intel 1983.
7. 7110 1-megabitová bublinková pamäť
Zdroj: hab.com