Fotografija iz kolekcije autora
1. Istorija
Memorija u obliku mehurića, ili memorija na cilindričnim magnetskim domenima, je nevolatna memorija razvijena u Bell Labs 1967. godine od strane Endrju Bobecka. Istraživanja su pokazala da se mali cilindrični magnetski domeni formiraju u monokristalnim tankim filmovima ferita i garneta kada se dovoljno jako magnetsko polje usmeri normalno na površinu filma. Menjajući magnetsko polje, moguće je pomerati ove mehuriće. Ove osobine čine magnetske mehuriće idealnim sredstvom za izgradnju sekvencijalnog skladišta bitova, slično registru pomeranja, gde prisustvo ili odsustvo mehurića na određenoj poziciji označava nulti ili jedinčno vrednost bita. Prečnik mehurića iznosi desetine mikrona, jedan čip može skladištiti hiljade bitova podataka. Tako je, na primer, proleća 1977. godine Texas Instruments prvi put predstavio na tržištu čip kapaciteta 92304 bita. Ova memorija je nevolatna, što je čini sličnom magnetskom trakama ili diskovima, ali pošto je čvrsta i ne sadrži pokretne delove, ima veću pouzdanost nego traka ili disk i ne zahteva održavanje, kao i mnogo manje dimenzije i težinu, te se može koristiti u prenosivim uređajima.
Prvobitno je izumitelj memorije u obliku mehurića, Endrju Bobeck, predložio "jednodimenzionalnu" varijantu memorije, u obliku niti na koju je namotan tanak trak ferromagnetnog materijala. Ova memorija se zvala "twistor" i čak je serijski proizvodila, ali je ubrzo bila potisnuta "dvodimenzionalnom" varijantom.
Možete se upoznati sa istorijom razvoja memorije u obliku mehurića u [1-3].
2. Princip rada
Ovde vas molim da me izvinite, nisam fizičar, pa će izlaganje biti vrlo približno.
Neki materijali (na primer, gadolinijum-galijum garnet) imaju svojstvo da se magnetizuju samo u jednom pravcu, i ako se duž te ose primeni stalno magnetsko polje, magnetizovane oblasti formiraće nešto poput mehurića, kao što je prikazano na slici ispod. Svaki mehurić ima samo nekoliko mikrona u prečniku.
Imamo tanki, oko 0,001 inča, kristalni film napravljen od takvog materijala, nanesen na nemagnetnu, na primer, staklenu podlogu.
Sve se svodi na čarobne mehuriće. Slika s leva — magnetsko polje ne postoji, slika s desna — magnetsko polje je usmereno perpendikulurno na površinu filma.
Ako se na površini filma od takvog materijala formira crtež od magnetskog materijala, poput permaloja, legure gvožđa i nikla, mehurići će se privlačiti ka elementima te slike. Obično se koriste crteži u obliku T- ili V-oblikovanih elemenata.
Jedan mehurić može se formirati magnetskim poljem od 100-200 ersted, koje je primenjen perpendikulurno na magnetski film i stvara ga konstantni magnet, dok rotirajuće magnetsko polje, formirano sa dve namotaje u pravcima XY, omogućava pomeranje mehurića-domena sa jednog magnetskog "ostrva" na drugo, kao što je prikazano na slici. Nakon četvorostruke promene pravca magnetskog polja, domen će se premestiti sa jednog ostrva na susedno.
Sve ovo omogućava da se CMU uređaj tretira kao pomerajući registar. Ako formiramo mehuriće na jednom kraju registra i detektujemo ih na drugom, možemo pustiti određeni obrazac mehurića u krug, i koristiti sistem kao memorijsko uređaj, čitajući i upisujući bitove u određenim vremenskim tačkama.
Iz ovoga proizlaze prednosti i nedostaci memorije na CMU: prednost je energetska nezavisnost (dok je primenjeno perpendikularno polje, koje stvaraju stalni magneti, mehurići se neće ni pomeriti ni nestati), dok je nedostatak veliko vreme pristupa, jer za pristup proizvoljno izabranom bitu treba okrenuti ceo pomerajući registar do željene pozicije, a što je on duži, to će biti potrebno više ciklusa za to.
Obrazac magnetskih elemenata na magnetskom filmu CMU.
Stvaranje magnetskog domena naziva se na engleskom «nucleation», i sastoji se od primene struje od nekoliko stotina miliampera na navijanje na vreme od oko 100 ns, čime se stvara magnetsko polje koje je pravougaono na film i suprotno polju stalnog magneta. Tada se stvara magnetski «mjehur» — cilindrični magnetski domen u filmu. Nažalost, proces zavisi od temperature, što može dovesti do neuspešnog završetka operacije pisanja, pri čemu mjehur ne bude formiran, ili do formiranja više mjehurića.
Za čitanje podataka sa filma koristi se nekoliko tehnika.
Jedan od načina, nedestruktivno čitanje, sastoji se u detekciji slabog magnetskog polja cilindričnog domena pomoću magnetorezistivnog senzora.
Drugi način je destruktivno čitanje. Mjehur se prebacuje na specijalnu stazu generisanja/detekcije, gde se mjehur uništava magnitizovanjem materijala u pravcu. Ako je materijal bio magnetizovan u suprotnom pravcu, tj. ako je mjehur prisutan, to će izazvati veći struja u zavojnici, što elektronska shema detektuje. Nakon toga, mjehur mora ponovo biti generisan na specijalnoj stazi za pisanje.
Međutim, ako je memorija organizovana u obliku jednog neprekidnog niza, imaće dva velika nedostatka. Prvo, vreme pristupa biće veoma dugo. Drugo, jedinstveni nedostatak u lancu će dovesti do potpunog nefunkcionisanja celog uređaja. Stoga se pravi memorija organizovana u obliku jedne glavne staze i više pomoćnih staza, kao što je prikazano na slici.
Mjehurićna memorija sa jednim neprekidnim stazom
Mjehurićna memorija sa glavnim/pomoćnim stazama
Ova konfiguracija memorije ne samo da značajno smanjuje vreme pristupa, već omogućava i proizvodnju memorijskih uređaja koji sadrže određeni broj defektnih staza. Memorijski kontroler mora ih uzeti u obzir i zaobići ih tokom operacija čitanja/pisanja.
Na slici ispod prikazan je presečno „čips” mjehurićne memorije.
Takođe možete pročitati o principu rada mjehurićne memorije u [4, 5].
3. Intel 7110
Intel 7110 — modul pomnilnika iz mehurčkov, MBM (magnetic-bubble memory) s kapaciteto 1 MB (1048576 bitov). Prav on je upodobljen na KDPV. 1 megabit je kapaciteta za shranjevanje uporabniških podatkov, z upoštevanjem odvečnih sledi pa znaša skupna kapaciteta 1310720 bitov. Naprava vsebuje 320 zankastih sledi (loops) kapacitete 4096 bitov vsaka, a za uporabniške podatke se uporablja le 256 od njih, preostalo pa je rezervirano za nadomestitev „pokvarjenih“ sledi in za shranjevanje odvečnih kod za popravilo napak. Naprava ima arhitekturo „glavna sled-podrejene sledi“ (major track-minor loop). Informacije o aktivnih sledeh so shranjene v posebni zagonni sledi (bootstrap loop). Na KDPV lahko vidite šestnajstično kodo, natisnjeno neposredno na modulu. To je karta „pokvarjenih“ sledov, 80 šestnajstičnih števil predstavlja 320 podatkovnih sledov, aktivne so predstavljene z enotnim bitom, neaktivne pa z ničlo.
Z originalno dokumentacijo o modulu se lahko seznanite v [7].
Naprava ima ohišje z dvorednim razporedom priključkov in se montira brez spajkanja (v vtičnico).
Struktura modula je prikazana na sliki:
Pomnilniški niz je razdeljen na dve „polsekciji“ (half sections), vsaka od njih pa na dve „četrtina“ (quads), vsaka četrtina ima 80 podrejenih sledov. Modul vsebuje ploščo z magnetskim materialom, nameščeno znotraj dveh ortogonalnih tuljav, ki ustvarjata rotirajoče magnetno polje. Za to se na tuljave prenašajo trikotni tokovni signali, zamaknjeni za 90 stopinj drug glede na drugega. Sestava iz plošče in tuljav je postavljena med trajne magnete in zaprta v magnetskem ščitu, ki zapira magnetni tok, ustvarjen s trajnimi magneti, in ščiti napravo pred zunanjimi magnetskimi polji. Plošča je nameščena pod kotom 2,5 stopinj, kar ustvarja majhno pomikajoče polje, usmerjeno vzdolž naklona. To polje je zanemarljivo majhno v primerjavi s poljem tuljav in ne ovira premikanja mehurčkov med delovanjem naprave, a pomika mehurčke v fiksne položaje v odnosu do permalloy elementov, ko je naprava izklopljena. Močna pravokotna sestavina trajnih magnetov ohranja obstoj mehurčkastih magnetskih domen.
Modul vsebuje naslednje enote:
- Pomnilni trakovi. To so trakovi iz permalloy komponent, ki zadržujejo in usmerjajo mehurčke.
- Generator replikacije. Uporablja se za replikacijo mehurčka, ki nenehno obstaja na mestu generacije.
- Vhodni trak in vozlišča izmenjave. Generirani mehurčki se premikajo po vhodnem traku. Mehurčki se premikajo na eno od 80 podrejenih trakov.
- Izhodni trak in vozlišče replikacije. Mehurčki se berejo iz podatkovnih trakov, ne da bi jih poškodovali. Mehurček se razdeli na dve deli, ena od njih pa gre v izhodni trak.
- Detektor. Mehurčki iz izhodnega traku pridejo v magnetorazpoznavni detektor.
- Zagon trak. Zagon trak vsebuje informacije o aktivnih in neaktivnih podatkovnih trakih.
Spodaj bomo podrobneje obravnavali ta vozlišča. Prav tako lahko preberete opis teh vozlišč v [6].
Generacija mehurčka
Za generacijo mehurčka je na začetku vhodnega traku vodnik, upognjen v majhno zanko. Vanj se usmeri tokovni impulz, ki ustvari zelo majhno območje z magnetskim poljem, močnejšim od stalnih magnetov. Impulz ustvari v tem območju mehurček, ki ostaja stalno prisoten, podprt s konstantnim magnetskim poljem, in kroži vzdolž permalloy elementa pod vplivom vrtečega se magnetskega polja. Če želimo zapisati enico v spomin, pošljemo kratek impulz v prevodno zanko, kar povzroči nastanek dveh mehurčkov (na sliki označenih kot Bubble split seed). Eden od mehurčkov se zaradi vrtečega se polja usmeri vzdolž permalloy traku, drugi ostane na mestu in hitro pridobi prvotno velikost. Nato se premika k enemu od podrejenih trakov in zamenja mesto z mehurčkom, ki kroži v njem. Ta mehurček doseže konec vhodnega traku in izgine.
Izmenjava mehurčkov
Izmenjava mehurčkov se zgodi, ko se v ustrezni vodnik pošlje pravokoten tokovni impulz. Pri tem ne pride do razdelitve mehurčka na dve deli.
Čitanje podataka
Podatki se pošiljajo na izhodno progo z njihovo replikacijo in se še naprej krožijo po svoji progi po branju. Tako je v tem napravi omogočen nedestruktiven način branja. Za replikacijo se mehurček usmeri pod podolgovati element iz permalloya, pod katerim se raztegne. Na vrhu se nahaja tudi vodnik v obliki zanke, ki, če se vanjo dovede impulz toka, mehurček razdeli na dva dela. Impulz toka je sestavljen iz kratkega dela z močno tokom za razdelitev mehurčka na dva dela in daljšega dela z manjšim tokom, da se mehurček usmeri na izhodno progo.
Na koncu izhodne proge se nahaja detektor mehurčkov, magnetorezistivni most, izdelan iz permalloy elementov, ki tvorijo dolgo vezje. Ko magnetni mehurček pride pod permalloy element, se njegova upornost spremeni in na izhodu mostu nastane razlika potenciala nekaj milivoltov. Oblika permalloy elementov je zasnovana tako, da se mehurček premika vzdolž njih, na koncu pa pride na posebno 'varnostno' vodilo in izgine.
Odpornost
Naprava vsebuje 320 prog, vsaka po 4096 bitov. Od tega je 272 aktivnih, 48 rezervnih, neaktivnih.
Zagon proge (Boot Loop)
Naprava vsebuje 320 podatkovnih prog, od katerih je 256 namenjenih shranjevanju uporabniških podatkov, preostale pa so lahko okvarjene ali pa služijo kot rezerve za zamenjavo okvarjenih. En dodatni trak vsebuje informacije o uporabi podatkovnih prog, po 12 bitov na vsak trak. Ko se naprava vklopi, mora biti inicializirana. V postopku inicializacije mora krmilnik prebrati zagon progo in zabeležiti podatke iz nje v poseben register čipa za formatiranje/senzor toka. Nato bo krmilnik uporabljal samo aktivne proge, neaktivne pa bodo ignorirane in vanje ne bo zapisovanja.
Shranjevanje podatkov — struktura
Z vidika uporabnika so podatki shranjeni v 2048 straneh po 512 bitov vsaka. 256 bajtov podatkov, 14 bitov kode za popravilo napak in 2 neuporabljena bita se shranijo v vsakem polovičnem delu naprave.
Popravilo napak
Odkritje in popravilo napak lahko izvaja mikročip senzorja toka, ki vsebuje 14-bitni dekoder, ki popravi enojno napako dolžine do 5 bitov (burst error) v vsakem bloku s 270 biti (vključno s samim kodom). Kod se doda na konec vsakega 256-bitnega bloka. Koda za popravilo se lahko uporablja ali ne uporablja, po želji uporabnika, preverjanje kode pa je mogoče vključiti ali izključiti v krmilniku. Če kode ne uporabimo, lahko vseh 270 bitov uporabimo za uporabniške podatke.
Čas dostopa
Magnetno polje se vrti s frekvenco 50 kHz. Povprečni čas dostopa do prvega bita prve strani znaša 41 ms, kar je polovica časa, potrebnega za dokončanje celotnega cikla po tiru, plus čas prehoda izhodnega tira.
320 aktivnih in rezervnih tirov je razdeljenih na štiri dele po 80 tirov v vsakem. Takšna organizacija skrajša čas dostopa. Četrtine so naslovljene parno: vsak par četrtin vsebuje sodo in liho bitno besedo. naprava vsebuje štiri vhodne tire s štirimi začetnimi mehurčki ter štiri izhodne tire. Izhodni tire uporabljajo dva detektorja, ki so organizirani tako, da v en detektor nikoli ne pridejo dva mehurčka z dveh tirov hkrati. Tako se štiri tokove mehurčkov multiplexirajo in pretvarjajo v dva tokova bitov ter shranijo v registrih mikročipa senzorja toka. Tam se vsebina registrov ponovno multiplexira in prek zaporednega vmesnika pride v krmilnik.
V drugem delu članka bomo podrobneje obravnavali vezje krmilnika mehurčkaste pomnilnika.
4. Seznam literature
Avtor je v najtemnejših kotičkih interneta našel in shranil za vas množico koristnih tehničnih informacij o pomnilniku na CMG, njegovi zgodovini in drugih povezanih vidikih:
1. — Dva pomnilnika inženirja Bobeka
2. — Dva pomnilnika inženirja Bobeka (del 2)
3. — Mehurčkasti pomnilnik
4. Prilagoditev magnetnega mehurčkastega pomnilnika v standardnem okolju mikroračunalnika
5. — Texas Instruments TIB 0203 Mehurčkasti pomnilnik
6. — Priročnik za komponente pomnilnika. Intel 1983.
7. 7110 1-Megabit Mehurčkasti pomnilnik
Izvor: habr.com
