Меморија на цилиндричним магнетним доменима. Део 1. Како то функционише

Фотографија из збирке аутора

1. Историја

Буббле меморија, или меморија цилиндричног магнетног домена, је непроменљива меморија коју је 1967. године развио у Белл Лабс-у Андрев Бобецк. Студије су показале да се мали цилиндрични магнетни домени формирају у монокристалним танким филмовима ферита и граната када је довољно јако магнетно поље усмерено окомито на површину филма. Променом магнетног поља ови мехурићи се могу померати. Таква својства чине магнетне мехуриће идеалним за изградњу серијског складиштења битова, попут регистра померања, у коме присуство или одсуство мехурића на одређеној позицији указује на нулту или једну вредност бита. Пречник мехурића је десетине микрона, а један чип може да ускладишти хиљаде битова података. Тако је, на пример, у пролеће 1977. године, Текас Инструментс први пут увео на тржиште чип капацитета 92304 бита. Ова меморија је непроменљива, што је чини сличном магнетној траци или диску, али пошто је у чврстом стању и нема покретних делова, поузданија је од траке или диска, не захтева одржавање и много је мања и лакша. , и може се користити у преносивим уређајима.

Првобитно је проналазач мехурасте меморије, Ендрју Бобек, предложио „једнодимензионалну” верзију меморије, у виду нити око које је намотана танка трака феромагнетног материјала. Таква меморија је названа „твистор” меморија, чак је била масовно произведена, али је убрзо замењена „дводимензионалном” верзијом.

О историји стварања мехурића можете прочитати у [1-3].

2. Принцип рада

Ево молим вас да ми опростите, ја нисам физичар, па ће презентација бити врло приближна.

Неки материјали (као што је гадолинијум галијум гранат) имају својство магнетизовања само у једном правцу, а ако се примени константно магнетно поље дуж ове осе, магнетизовани региони ће формирати нешто попут мехурића, као што је приказано на слици испод. Сваки мехур је само неколико микрона у пречнику.

Претпоставимо да имамо танак, реда величине 0,001 инча, кристални филм таквог материјала нанесен на немагнетну, као што је стакло, подлогу.

Све је у вези са магичним мехурићима. Слика лево - нема магнетног поља, слика десно - магнетно поље је усмерено управно на површину филма.

Ако се на површини филма таквог материјала формира узорак од магнетног материјала, на пример, пермалоја, легуре гвожђа и никла, онда ће мехурићи бити магнетизовани на елементе овог узорка. Обично се користе обрасци у облику елемената у облику слова Т или В.

Један мехур се може формирати магнетним пољем од 100-200 ерстеда, које се примењује окомито на магнетни филм и ствара га стални магнет, а ротирајуће магнетно поље формирано од два намотаја у КСИ правцима омогућава вам да се крећете мехуриће домене са једног магнетног "острва" на друго, као што је приказано на слици. Након четвороструке промене смера магнетног поља, домен ће се кретати са једног острва на друго.

Све ово нам омогућава да посматрамо ЦМД уређај као померајући регистар. Ако формирамо мехуриће на једном крају регистра и детектујемо их на другом, онда можемо да разнесемо одређени образац мехурића и користимо систем као меморијски уређај, читајући и уписујући битове у одређено време.

Одавде следе предности и мане ЦМД меморије: предност је енергетска независност (све док се примењује окомито поље које стварају трајни магнети, мехурићи неће нигде нестати и неће се померати са својих позиција), а мана је дуго време приступа, јер да бисте приступили произвољном биту, потребно је да скролујете цео регистар померања до жељене позиције, и што је дужи, то ће захтевати више циклуса.

Образац магнетних елемената на ЦМД магнетном филму.

Стварање магнетног домена се на енглеском назива "нуцлеатион", а састоји се у томе што се на намотај примењује струја од неколико стотина милиампера за време од око 100 нс и ствара се магнетно поље које је окомито на филма и супротно пољу сталног магнета. Ово ствара магнетни "мехур" - цилиндрични магнетни домен у филму. Процес, нажалост, у великој мери зависи од температуре, могуће је да операција писања не успе без формирања мехурића или да се формира више мехурића.

За читање података из филма користи се неколико техника.

Један од начина, недеструктивно читање, је да се детектује слабо магнетно поље цилиндричног домена помоћу магнеторезистивног сензора.

Други начин је деструктивно читање. Мехур се одводи на специјалну стазу за генерисање/детекцију, где се мехур уништава магнетизацијом материјала унапред. Ако је материјал био обрнуто магнетизован, тј. био је присутан мехур, то би изазвало већу струју у калему и то би детектовала електронска кола. Након тога, балон се мора поново генерисати на посебној стази за снимање.


Међутим, ако је меморија организована као један непрекидни низ, онда ће имати два велика недостатка. Прво, време приступа ће бити веома дуго. Друго, један дефект у ланцу ће довести до потпуне нефункционалности целог уређаја. Стога, они чине меморију организовану у облику једне главне стазе и много подређених стаза, као што је приказано на слици.

Меморија мехурића са једном континуираном траком

Меморија мехурића са главним/подређеним стазама

Таква конфигурација меморије омогућава не само да се значајно смањи време приступа, већ омогућава и производњу меморијских уређаја који садрже одређени број неисправних стаза. Контролор меморије их мора узети у обзир и заобићи током операција читања/писања.

На слици испод приказан је пресек "чипа" меморије мехурића.

О принципу меморије мехурића можете прочитати и у [4, 5].

КСНУМКС. Интел КСНУМКС

Интел 7110 - мехурасти меморијски модул, МБМ (магнетиц-буббле мемори) капацитета 1 МБ (1048576 бита). Он је тај који је приказан на КДПВ-у. 1 мегабит је капацитет за складиштење корисничких података, узимајући у обзир редундантне стазе, укупан капацитет је 1310720 бита. Уређај садржи 320 петљи (петљи) са капацитетом од 4096 бита свака, али се само 256 користи за корисничке податке, остатак је резерва за замену „покварених“ стаза и за чување сувишног кода за исправљање грешака. Уређај има архитектуру главне траке и мање петље. Информације о активним стазама налазе се у засебној стази за покретање (боотстрап петља). На КДПВ-у можете видети хексадецимални код одштампан директно на модулу. Ово је мапа „разбијених“ стаза, 80 хексадецималних цифара представља 320 трагова података, активни су представљени једним битом, а неактивни нулом.

Оригиналну документацију за модул можете прочитати у [7].

Уређај има кућиште са дворедним распоредом пинова и монтира се без лемљења (у утичницу).

Структура модула је приказана на слици:

Меморијски низ је подељен на две "полусекције" (полусекције), од којих је свака подељена на две "четвртине" (квадс), свака четвртина има 80 славе трака. Модул садржи плочу са магнетним материјалом смештену унутар два ортогонална намотаја која стварају ротационо магнетно поље. Да би се то урадило, струјни сигнали троугластог облика, померени за 90 степени један у односу на други, примењују се на намотаје. Склоп плоче и намотаја се поставља између трајних магнета и поставља у магнетни штит који затвара магнетни флукс који стварају трајни магнети и штити уређај од спољашњих магнетних поља. Плоча је постављена под нагибом од 2,5 степени, што ствара мало поље померања дуж нагиба. Ово поље је занемарљиво у поређењу са пољем калемова, и не омета кретање мехурића током рада уређаја, али помера мехуриће у фиксне позиције у односу на елементе од пермалоја када је уређај искључен. Јака окомита компонента трајних магнета подржава постојање мехурастих магнетних домена.

Модул садржи следеће чворове:

1. Траке меморије. Директно оне трагове пермалој елемената који држе и воде мехуриће.
2. генератор репликације. Служи за репликацију мехурића који је стално присутан на месту генерисања.
3. Улазни траг и чворови размене. Генерисани мехурићи се крећу дуж улазне стазе. Облачићи се померају на једну од 80 подређених стаза.
4. Излазни колосек и чвор за репликацију. Облачићи се одузимају од трагова података без њиховог уништавања. Мехур се дели на два дела, а један од њих иде на излазну стазу.
5. Детектор. Мехурићи са излазне стазе улазе у магнеторезитивни детектор.
6. Учитавање траке. Трака за покретање садржи информације о активним и неактивним стазама података.

У наставку ћемо детаљније погледати ове чворове. Такође можете прочитати опис ових чворова у [6].

стварање мехурића

Да би се створио мехур, на самом почетку улазне стазе налази се проводник савијен у облику мале петље. На њега се примењује струјни импулс који ствара магнетно поље на веома малој површини јаче од поља трајних магнета. Импулс на овом месту ствара мехур, који остаје трајно одржаван константним магнетним пољем и циркулише дуж елемента пермалоја под утицајем ротирајућег магнетног поља. Ако треба да запишемо јединицу у меморију, примењујемо кратак импулс на проводну петљу, и као резултат, рађају се два мехурића (означено као Буббле сплит сеед на слици). Један од мехурића јури ротирајућим пољем дуж стазе од пермалоја, други остаје на месту и брзо добија своју првобитну величину. Затим се помера на једну од подређених стаза и мења места са мехурићем који кружи у њему. Он, заузврат, стиже до краја улазне стазе и нестаје.

размена мехурића

До размене мехурића долази када се правоугаони струјни импулс примени на одговарајући проводник. У овом случају, мехур се не дели на два дела.

Читање података

Подаци се шаљу на излазну стазу репликацијом и настављају да круже у њеној стази након читања. Дакле, овај уређај имплементира недеструктивни метод читања. Да би се реплицирао, мехур се води испод издуженог елемента од пермалоје, испод којег се растеже. Изнад се налази и проводник у облику петље, ако се струјни импулс примени на петљу, мехур ће се поделити на два дела. Струјни импулс се састоји од кратког дела са великом струјом да би се мехур поделио на два дела, и дужег дела са мањом струјом да би се мехур усмерио на излазну стазу.

На крају излазне стазе налази се детектор мехурића, магнеторезистивни мост направљен од пермалој елемената који формирају дугачко коло. Када магнетни мехур падне испод елемента од пермалоја, његов отпор се мења и на излазу моста појављује се потенцијална разлика од неколико миливолти. Облик пермаллои елемената је одабран тако да се мехур креће дуж њих, на крају удари у специјалну гуму „чувар“ и нестане.

Сувишност

Уређај садржи 320 трака, од којих свака има 4096 бита. Од тога је 272 активно, 48 резервних, неактивних.

Трака за покретање (петља за покретање)

Уређај садржи 320 трагова података, од којих је 256 намењено чувању корисничких података, остали могу бити неисправни или могу послужити као резервни за замену неисправних. Једна додатна трака садржи информације о коришћењу стаза података, 12 бита по стази. Када се систем укључи, мора се иницијализирати. Током процеса иницијализације, контролер мора прочитати боот трацк и уписати информације из њега у посебан регистар чипа за форматирање / тренутног сензора. Тада ће контролер користити само активне стазе, а неактивне ће бити занемарене и неће бити уписане у њих.

Складиште података – структура

Са тачке гледишта корисника, подаци се чувају на 2048 страница од по 512 бита. 256 бајтова података, 14 битова кода за исправљање грешака и 2 неискоришћена бита се чувају у свакој половини уређаја.

Корекција грешке

Откривање и исправљање грешака може се извршити помоћу тренутног сензорског чипа, који садржи 14-битни декодер кода који исправља једну грешку дужине до 5 бита (бурст еррор) у сваком блоку од 270 бита (укључујући сам код). Код се додаје на крај сваког 256-битног блока. Корекциони код се може користити или не користити, на захтев корисника, верификација кода се може укључити или искључити у контролеру. Ако се не користи код, свих 270 битова се може користити за корисничке податке.

Време приступа

Магнетно поље ротира фреквенцијом од 50 кХз. Просечно време приступа првом биту прве странице је 41 мс, што је половина времена потребног да се заврши цео циклус кроз стазу плус време потребно да се прође кроз излазну стазу.

320 активних и резервних стаза подељено је на четири дела од по 80 стаза. Ова организација смањује време приступа. Четвртине се адресирају у паровима: сваки пар четвртина садржи парне и непарне битове речи, респективно. Уређај садржи четири улазне траке са четири почетна мехурића и четири излазне стазе. Излазне стазе користе два детектора, организована су тако да два мехурића са два колосека никада не ударе у један детектор истовремено. Дакле, четири тока мехурића се мултиплексирају и претварају у два тока бита и чувају у регистрима тренутног сензорског чипа. Ту се садржај регистара поново мултиплексира и шаље у контролер преко серијског интерфејса.

У другом делу чланка детаљније ћемо погледати коло контролера меморије мехурића.

4. Референце

Аутор је пронашао у најмрачнијим угловима мреже и сачувао за вас много корисних техничких информација о меморији на ЦМД-у, његовој историји и другим сродним аспектима:

1. https://old.computerra.ru/vision/621983/ — Два сећања инжењера Бобека
2. https://old.computerra.ru/vision/622225/ - Два сећања на инжењера Бобека (2. део)
3. http://www.wikiwand.com/en/Bubble_memory — Меморија мехурића
4. https://cloud.mail.ru/public/3qNi/33LMQg8Fn Адаптација Магнетиц Буббле Мемори у стандардном микрокомпјутерском окружењу
5. https://cloud.mail.ru/public/4YgN/ujdGWtAXf — Текас Инструментс ТИБ 0203 Буббле Мемори
6. https://cloud.mail.ru/public/4PRV/5qC4vyjLa — Приручник за меморијске компоненте. Интел 1983.
7. https://cloud.mail.ru/public/4Mjv/41Xrp4Rii 7110 1-Мегабитна мехурићаста меморија

Извор: ввв.хабр.цом