Fotografija iz avtorjeve zbirke
1. Zgodovina
Bubble memory ali pomnilnik cilindrične magnetne domene je obstojen pomnilnik, ki ga je leta 1967 v Bell Labs razvil Andrew Bobeck. Raziskave so pokazale, da se majhne cilindrične magnetne domene tvorijo v monokristalnih tankih folijah feritov in granatov, ko je dovolj močno magnetno polje usmerjeno pravokotno na površino filma. S spreminjanjem magnetnega polja lahko te mehurčke premaknemo. Zaradi teh lastnosti so magnetni mehurčki idealni za konstruiranje zaporedne shrambe bitov, kot je premični register, v katerem prisotnost ali odsotnost mehurčka na določenem mestu pomeni, da je vrednost bita nič ali ena. Premer mehurčka je desetinke mikrona; en čip lahko shrani na tisoče bitov podatkov. Na primer, spomladi leta 1977 je Texas Instruments na trg prvič predstavil čip z zmogljivostjo 92304 bitov. Ta pomnilnik je obstojen, zaradi česar je podoben magnetnemu traku ali disku, toda ker je polprevodniški in nima gibljivih delov, je bolj zanesljiv kot trak ali disk, ne potrebuje vzdrževanja in je veliko manjši in lažji. , in se lahko uporablja v prenosnih napravah.
Prvotni izumitelj mehurčkastega pomnilnika Andrew Bobek je predlagal »enodimenzionalno« različico pomnilnika v obliki niti, na katero je navit tanek trak feromagnetnega materiala. Tovrsten pomnilnik so poimenovali twistor in so ga celo množično proizvajali, a ga je kmalu izpodrinila dvodimenzionalna različica.
Z zgodovino nastanka mehurčkovega spomina se lahko seznanite v [1-3].
2. Načelo delovanja
Tukaj vas prosim, da mi oprostite, nisem fizik, zato bo predstavitev zelo približna.
Nekateri materiali (kot je gadolinijev galijev granat) se nagibajo k magnetizaciji samo v eni smeri, in če vzdolž te osi deluje konstantno magnetno polje, bodo magnetizirana območja tvorila nekaj podobnega mehurčkom, kot je prikazano na spodnji sliki. Vsak mehurček ima premer le nekaj mikronov.
Recimo, da imamo tanek, približno 0,001 palca, kristalni film takega materiala, nanešen na nemagnetno, na primer stekleno podlago.
Vse se vrti okoli čarobnih mehurčkov. Slika na levi - ni magnetnega polja, slika na desni - magnetno polje je usmerjeno pravokotno na površino filma.
Če se na površini filma takšnega materiala oblikuje vzorec iz magnetnega materiala, na primer permaloja, zlitine železa in niklja, se bodo mehurčki magnetizirali na elemente tega vzorca. Običajno se uporabljajo vzorci v obliki črke T ali V.
Posamezen mehurček lahko tvori magnetno polje 100-200 oersted, ki deluje pravokotno na magnetni film in ga ustvari trajni magnet, vrtljivo magnetno polje, ki ga tvorita dve tuljavi v smereh XY, pa omogoča premikanje mehurčkov. z enega magnetnega "otoka" na drugega, kot je prikazano na sliki. Po štirikratni spremembi smeri magnetnega polja se domena premakne z enega otoka na sosednjega.
Vse to nam omogoča, da napravo DMD obravnavamo kot premični register. Če ustvarimo mehurčke na enem koncu registra in jih zaznamo na drugem, lahko zavrtimo določen vzorec mehurčkov in uporabimo sistem kot pomnilniško napravo, ki ob določenem času bere in piše bite.
To vodi do prednosti in slabosti pomnilnika na digitalnem MD: prednost je nehlapnost (dokler je uporabljeno pravokotno polje, ki ga ustvarjajo trajni magneti, mehurčki ne bodo izginili ali se premaknili s svojih položajev), pomanjkljivost pa je dolga dostopni čas, saj Za dostop do poljubnega bita morate pomakniti celoten register premika na želeno mesto in daljši kot je, več ciklov bo to zahtevalo.
Vzorec magnetnih elementov na CD magnetnem filmu.
Ustvarjanje magnetne domene se v angleščini imenuje "nukleacija" in je sestavljeno iz uporabe toka nekaj sto miliamperov na navitje za čas približno 100 ns in ustvarjanja magnetnega polja, pravokotnega na film in nasproti polja trajni magnet. To ustvari magnetni "mehurček" - valjasto magnetno domeno v filmu. Postopek je na žalost zelo odvisen od temperature; operacija pisanja lahko ne uspe brez oblikovanja mehurčkov ali pa nastane več mehurčkov.
Za branje podatkov s filma se uporablja več tehnik.
Ena od metod, nedestruktivno branje, je zaznavanje šibkega magnetnega polja cilindrične domene z uporabo magnetorezivnega senzorja.
Druga metoda je destruktivno branje. Mehurček se prenese na posebno generacijsko/detekcijsko stezo, v kateri se mehurček uniči z magnetiziranjem materiala v smeri naprej. Če je bil material magnetiziran v nasprotni smeri, to je, če je bil prisoten mehurček, bo to povzročilo večji tok v tuljavi in to zazna elektronsko vezje. Po tem je treba mehurček ponovno ustvariti na posebni snemalni stezi.
Če pa je pomnilnik organiziran kot eno neprekinjeno polje, bo imel dve veliki pomanjkljivosti. Prvič, čas dostopa bo zelo dolg. Drugič, ena sama napaka v verigi bo povzročila popolno nedelovanje celotne naprave. Zato naredijo pomnilnik organiziran v obliki ene glavne sledi in številnih podrejenih sledi, kot je prikazano na sliki.
Bubble spomin z eno neprekinjeno skladbo
Bubble spomin z glavnimi/podrejenimi skladbami
Ta konfiguracija pomnilnika omogoča ne le močno zmanjšanje časa dostopa, ampak omogoča tudi izdelavo pomnilniških naprav, ki vsebujejo določeno število okvarjenih skladb. Krmilnik pomnilnika jih mora upoštevati in obiti med branjem/pisanjem.
Spodnja slika prikazuje prerez mehurčkastega pomnilniškega "čipa".
O principu delovanja mehurčkastega pomnilnika si lahko preberete tudi v [4, 5].
3. Intel 7110
Intel 7110 - bubble memory modul, MBM (magnetic-bubble memory) s kapaciteto 1 MB (1048576 bitov). Prav on je upodobljen na KDPV. 1 megabit je kapaciteta shranjevanja uporabniških podatkov, z upoštevanjem redundantnih sledi je skupna kapaciteta 1310720 bitov. Naprava vsebuje 320 zank v obliki sledi (zank) s kapaciteto 4096 bitov vsaka, vendar se le 256 od njih uporablja za uporabniške podatke, ostalo je rezerva za zamenjavo "pokvarjenih" sledi in za shranjevanje odvečne kode za odpravljanje napak. Naprava ima arhitekturo "major track-minor loop". Informacije o aktivnih skladbah so vsebovane v ločeni zagonski zanki. Na KDPV lahko vidite šestnajstiško kodo, natisnjeno neposredno na modulu. To je zemljevid "pokvarjenih" sledi, 80 heksadecimalnih števk predstavlja 320 podatkovnih sledi, aktivne so predstavljene z enim bitom, neaktivne z ničelnim bitom.
Originalno dokumentacijo za modul si lahko preberete v [7].
Naprava ima ohišje z dvoredno razporeditvijo nožic in se montira brez spajkanja (v vtičnico).
Struktura modula je prikazana na sliki:
Pomnilniško polje je razdeljeno na dva "polovična dela", od katerih je vsak razdeljen na dva "četverca", vsaka četrtina pa ima 80 podrejenih skladb. Modul vsebuje ploščo z magnetnim materialom, ki se nahaja znotraj dveh pravokotnih navitij, ki ustvarjata rotacijsko magnetno polje. Da bi to naredili, se v navitja dovajajo tokovni signali trikotne oblike, premaknjeni za 90 stopinj glede na drugega. Sklop plošče in navitij je nameščen med trajne magnete in nameščen v magnetni ščit, ki zapre magnetni tok, ki ga ustvarijo trajni magneti, in ščiti napravo pred zunanjimi magnetnimi polji. Plošča je nagnjena za 2,5 stopinje, kar vzdolž nagiba ustvari majhno polje premika. To polje je zanemarljivo v primerjavi s poljem tuljav in ne moti gibanja mehurčkov, ko naprava deluje, ampak premakne mehurčke v fiksne položaje glede na permalojske elemente, ko je naprava izklopljena. Močna pravokotna komponenta trajnih magnetov podpira obstoj mehurčkov magnetnih domen.
Modul vsebuje naslednja vozlišča:
- Nepozabne skladbe. Neposredno tiste steze permalojskih elementov, ki držijo in usmerjajo mehurčke.
- Generator replikacije. Služi za razmnoževanje vezikla, ki je stalno prisoten na mestu nastanka.
- Vhodna sled in vozlišča za izmenjavo. Ustvarjeni mehurčki se premikajo po vhodni poti. Mehurčki se premaknejo na eno od 80 podrejenih sledi.
- Izhodna sled in replikacijsko vozlišče. Mehurčki se odštejejo od sledi podatkov, ne da bi jih uničili. Mehurček je razdeljen na dva dela, eden od njiju pa je poslan na izhodno stezo.
- Detektor. Mehurčki iz izhodne steze vstopijo v magnetorezivni detektor.
- Zagonska sled. Zagonska sled vsebuje informacije o aktivnih in neaktivnih podatkovnih sledh.
Spodaj si bomo podrobneje ogledali ta vozlišča. Opis teh vozlišč lahko preberete tudi v [6].
Generiranje mehurčkov
Za ustvarjanje mehurčka je na samem začetku vhodne steze vodnik, upognjen v majhno zanko. Nanj se dovaja tokovni impulz, ki na zelo majhnem območju ustvari magnetno polje, ki je močnejše od polja trajnih magnetov. Impulz na tem mestu ustvari mehurček, ki ostane trajno, podprt s konstantnim magnetnim poljem in kroži vzdolž permalojevega elementa pod vplivom rotirajočega magnetnega polja. Če moramo enoto zapisati v pomnilnik, damo kratek impulz na prevodno zanko in posledično se rodita dva mehurčka (na sliki označena kot Bubble split seed). Eden od mehurčkov hiti v vrtljivem polju vzdolž permalojske steze, drugi ostane na mestu in hitro pridobi prvotno velikost. Nato se premakne na eno od podrejenih stez in zamenja mesto z mehurčkom, ki kroži v njem. Ta pa doseže konec vhodne skladbe in izgine.
Menjava mehurčkov
Do menjave mehurčkov pride, ko se na ustrezen prevodnik uporabi pravokotni tokovni impulz. V tem primeru se mehurček ne razdeli na dva dela.
Branje podatkov
Podatki se pošljejo na izhodno stezo s podvajanjem in po branju nadaljujejo s kroženjem po svoji stezi. Tako ta naprava izvaja nedestruktivno metodo branja. Za replikacijo je mehurček voden pod podolgovatim permalojskim elementom, pod katerim se razteza. Na vrhu je tudi prevodnik v obliki zanke; če na zanko dovedemo tokovni impulz, se mehurček razdeli na dva dela. Tokovni impulz je sestavljen iz kratkega odseka visokega toka, ki mehurček razdeli na dva dela, in daljšega odseka nižjega toka, ki mehurček usmeri na izhodno stezo.
Na koncu izhodne steze je detektor mehurčkov, magnetorezivni most iz permalojskih elementov, ki tvorijo dolgo vezje. Ko magnetni mehurček pade pod permalloy element, se njegov upor spremeni in na izhodu mostu se pojavi potencialna razlika nekaj milivoltov. Oblika elementov iz permaloja je izbrana tako, da se mehurček premika po njih, na koncu pa zadene posebno "varnostno" pnevmatiko in izgine.
Redundanca
Naprava vsebuje 320 skladb, vsaka po 4096 bitov. Od tega je 272 aktivnih, 48 rezervnih, neaktivnih.
Zagonska zanka
Naprava vsebuje 320 podatkovnih sledi, od tega jih je 256 namenjenih shranjevanju uporabniških podatkov, ostale so lahko okvarjene ali pa služijo kot rezervne za zamenjavo okvarjenih. Ena dodatna sled vsebuje informacije o uporabi podatkovnih sledov, 12 bitov na sled. Ko je sistem priključen na napajanje, ga je treba inicializirati. Med postopkom inicializacije mora krmilnik prebrati zagonsko sled in iz nje zapisati informacije v poseben register formatnega čipa/tokovnega senzorja. Nato bo krmilnik uporabil samo aktivne skladbe, neaktivne pa bo prezrl in nanje ne bo narejen noben zapis.
Podatkovno skladišče – struktura
Z vidika uporabnika so podatki shranjeni na 2048 straneh po 512 bitov. V vsaki polovici naprave je shranjenih 256 bajtov podatkov, 14 bitov kode za odpravo napak in 2 neuporabljena bita.
Popravek napak
Zaznavanje in popravljanje napak lahko izvede trenutni senzorski čip, ki vsebuje 14-bitni kodni dekoder, ki popravi eno napako dolžine do 5 bitov (burst error) v vsakem bloku 270 bitov (vključno s samo kodo). Koda je pripeta na konec vsakega 256-bitnega bloka. Korekcijska koda se lahko uporablja ali ne uporablja, po lastni presoji uporabnika lahko preverjanje kode vklopi ali izklopi v krmilniku. Če koda ni uporabljena, se lahko za uporabniške podatke uporabi vseh 270 bitov.
Čas dostopa
Magnetno polje se vrti s frekvenco 50 kHz. Povprečni dostopni čas do prvega bita prve strani je 41 ms, kar je polovica časa, potrebnega za dokončanje celotne zanke skozi stezo, plus čas, potreben za dokončanje izhodne steze.
320 aktivnih in rezervnih tirov je razdeljenih na štiri dele po 80 tirov. Ta organizacija skrajša čas dostopa. Četrtine so naslovljene v parih: vsak par četrtin vsebuje sode in lihe delce besede. Naprava vsebuje štiri vhodne steze s štirimi začetnimi mehurčki in štiri izhodne steze. Izhodni tiri uporabljata dva detektorja, organizirana sta tako, da en detektor nikoli ne prejme dveh mehurčkov iz dveh tirov hkrati. Tako se štirje mehurčki tokovi multipleksirajo in pretvorijo v dva bitna toka ter shranijo v registre trenutnega senzorskega čipa. Tam se vsebina registrov ponovno multipleksira in pošlje krmilniku preko serijskega vmesnika.
V drugem delu članka si bomo podrobneje ogledali vezje krmilnika mehurčkovega pomnilnika.
4. Reference
Avtor je v najtemnejših kotičkih omrežja našel in za vas shranil veliko uporabnih tehničnih informacij o pomnilniku na DMD, njegovi zgodovini in drugih povezanih vidikih:
1. — Dva spomina inženirja Bobka
2. — Dva spomina inženirja Bobka (2. del)
3. — Bubble spomin
4. Prilagoditev pomnilnika z magnetnimi mehurčki v standardnem mikroračunalniškem okolju
5. - Texas Instruments TIB 0203 Bubble Memory
6. - Priročnik za pomnilniške komponente. Intel 1983.
7. 7110 1-Megabit Bubble Memory
Vir: www.habr.com