Foto frÄn författarens samling
1. Historia
Bubbleminne, eller minne pÄ cylindriska magnetiska domÀner, Àr ett icke-flyktigt minne som utvecklades vid Bell Labs 1967 av Andrew Bobeck. Forskning har visat att smÄ cylindriska magnetiska domÀner bildas i monokrystallina tunna filmer av ferriter och granater nÀr ett tillrÀckligt starkt magnetfÀlt appliceras vinkelrÀtt mot filmens yta. Genom att förÀndra magnetfÀltet kan dessa bubblor flyttas. Dessa egenskaper gör magnetiska bubblor till ett perfekt medel för att bygga sekventiella bitlagringssystem, liknande skiftregister, dÀr nÀrvaron eller frÄnvaron av en bubbla i en viss position indikerar ett bitvÀrde av noll eller ett. Bubblans diameter Àr brÄkdelar av en mikrometer, och en chip kan lagra tusentals bitar data. Till exempel, vÄren 1977 introducerade Texas Instruments för första gÄngen en chip med en kapacitet pÄ 92304 bitar. Detta minne Àr icke-flyktigt, vilket gör det liknande magnetband eller skivor, men eftersom det Àr fast och inte innehÄller rörliga delar, Àr det mer tillförlitligt Àn band eller skivor, krÀver ingen underhÄll och har ocksÄ mycket mindre storlek och vikt, och kan anvÀndas i bÀrbara enheter.
Den ursprungliga uppfinnaren av bubbleminne, Andrew Bobeck, föreslog en "en-dimensionell" variant av minnet, i form av en trÄd som har en tunn remsa av ferromagnetiskt material lindad runt sig. Detta minne kallades "twistor-minne" och tillverkades till och med i serie, men blev snart utkonkurrerat av den "tvÄ-dimensionella" varianten.
Du kan bekanta dig med historien om skapandet av bubbleminnet i [1-3].
2. Verkningsprincip
HÀr ber jag om ursÀkt, jag Àr ingen fysiker, sÄ framstÀllningen kommer att vara ganska grov.
Vissa material (till exempel gadolinium-galliumgranat) har egenskapen att magnetiseras i endast en riktning, och om ett konstant magnetfÀlt appliceras lÀngs denna axel, kommer de magnetiserade omrÄdena att bilda nÄgot som liknar bubblor, som visas i bilden nedan. Varje bubbla har bara nÄgra mikrometer i diameter.
LÄt oss sÀga att vi har en tunn, ungefÀr 0,001 tum, kristallinsk film av ett sÄdant material belagd pÄ en icke-magnetisk bas, till exempel glas.
Allt handlar om de magiska bubblorna. Bilden till vĂ€nster â det finns inget magnetiskt fĂ€lt, bilden till höger â det magnetiska fĂ€ltet Ă€r riktat vinkelrĂ€tt mot filmens yta.
Om vi skapar ett mönster av magnetiskt material, till exempel permalloy eller en jÀrn-nickel legering, pÄ ytan av en film av detta material, kommer bubblorna att magnetiseras till elementen i detta mönster. Vanligtvis anvÀnds mönster i form av T-formade eller V-formade element.
En enskild bubbla kan bildas av ett magnetfÀlt pÄ 100-200 Oersted, som appliceras vinkelrÀtt mot den magnetiska filmen och skapas av en permanent magnet, medan ett roterande magnetfÀlt, bildat av tvÄ spolar i riktningarna XY, gör att man kan flytta bubblornas domÀner frÄn en magnetisk "ö" till en annan, som visas pÄ bilden. Efter fyra riktningar av magnetfÀltet kommer domÀnen att flyttas frÄn en ö till en annan granne.
Allt detta gör det möjligt att betrakta CMD-enheten som ett skiftregister. Om vi skapar bubblor i ena Ànden av registret och detekterar dem i den andra, kan vi slÀppa ett visst mönster av bubblor i en krets och anvÀnda systemet som ett lagringsutrymme genom att lÀsa och skriva bitar vid specifika tidpunkter.
HÀrifrÄn följer fördelar och nackdelar med CMD-minnet: fördelen Àr energioberoendet (sÄ lÀnge det appliceras ett vinkelrÀtt fÀlt skapat av permanenta magneter kommer bubblorna inte att försvinna eller flytta sig frÄn sina positioner), medan nackdelen Àr den lÄnga Ätkomsttiden, eftersom man behöver rulla hela skiftregistret till önskad position för att fÄ Ätkomst till en godtycklig bit, och ju lÀngre det Àr, desto fler cykler krÀvs.
Mönstret av magnetiska element pÄ den magnetiska CMD-filmen.
Skapandet av en magnetisk domĂ€n kallas pĂ„ engelska "nucleation", och innebĂ€r att en ström pĂ„ flera hundra milliamper ströms genom lindningen under cirka 100 ns, vilket skapar ett magnetfĂ€lt som Ă€r vinkelrĂ€tt mot filmen och motsatt ett konstant magnets fĂ€lt. Detta skapar en magnetisk "bubbla" â en cylindrisk magnetisk domĂ€n i filmen. Processen Ă€r tyvĂ€rr starkt temperaturberoende, vilket gör att skrivoperationen kan misslyckas, dĂ€r bubblan inte bildas, eller att flera bubblor bildas.
För att lÀsa data frÄn filmen anvÀnds flera tekniker.
Ett sÀtt, icke-destruktiv lÀsning, innebÀr att detektera det svaga magnetfÀltet frÄn den cylindriska domÀnen med hjÀlp av en magnetoresistiv sensor.
Den andra metoden Àr destruktiv lÀsning. Bubblan leds till en sÀrskild bana för generering/detektering dÀr bubblan förstörs genom att magnetisera materialet i den direkta riktningen. Om materialet har magnetiserats i motsatt riktning, vilket innebÀr att bubblan Àr nÀrvarande, kommer detta att orsaka en större ström i spolen, vilket detekteras av den elektroniska kretsen. Efter detta mÄste bubblan Äter genereras pÄ en sÀrskild skrivbana.
Men om minnet organiseras som en enda kontinuerlig matris kommer det att ha tvÄ stora nackdelar. För det första kommer Ätkomsttiden att bli mycket lÄng. För det andra kommer ett enda fel i kedjan att leda till att hela enheten blir obrukbar. DÀrför görs minnet organiserat i en huvudbana och flera underordnade banor, som visas i bilden.
Bubbelminne med en kontinuerlig bana
Bubbelminne med huvud/underordnade banor
Denna minneskonfiguration gör det möjligt att betydligt minska Ätkomsttiden och tillÄter Àven att producera minnesenheter som innehÄller ett visst antal defekta banor. Minnesskontrollern mÄste ta hÀnsyn till dessa och kringgÄ dem vid lÀsning/skrivning.
I bilden nedan visas ett tvÀrsnitt av "chipet" för bubbelminnet.
Du kan ocksÄ lÀsa om principen för bubbelminnets funktion i [4, 5].
3. Intel 7110
Intel 7110 â modul för bubbelminne, MBM (magnetiskt bubbelminne) med en kapacitet pĂ„ 1 MB (1048576 bitar). Den visas pĂ„ det tekniska databladsverktyget. 1 megabit Ă€r kapaciteten för att lagra anvĂ€ndardata; med hĂ€nsyn till överflödiga spĂ„r Ă€r den totala kapaciteten 1310720 bitar. Enheten innehĂ„ller 320 slingor (loops) med en kapacitet pĂ„ 4096 bitar var, men endast 256 av dem anvĂ€nds för anvĂ€ndardata, resten Ă€r reserv för att ersĂ€tta
Du kan ta del av den ursprungliga dokumentationen för modulen i [7].
Enheten har ett hus med tvÄrads konfiguration av pinnar och installeras utan lödning (i en sockel).
Modulens struktur visas pÄ bilden:
Minnessystemet delas in i tvÄ 'halvsektioner', varav varje delas in i tvÄ 'kvartar', dÀr varje kvart har 80 underliggande spÄr. Modulen innehÄller en platta med magnetiskt material, placerad mellan tvÄ ortogonala spolar som skapar ett roterande magnetfÀlt. För detta appliceras triangulÀra strömsignaler pÄ spolarna, förskjutna 90 grader i förhÄllande till varandra. Samlingen av plattan och spolarna placeras mellan permanenta magneter och Àr innesluten i en magnetisk skÀrm, som stÀnger det magnetiska flödet som genereras av de permanenta magneterna och skyddar enheten frÄn externa magnetfÀlten. Plattan Àr lutad med 2,5 grader, vilket skapar ett litet förskjutningsfÀlt riktat lÀngs lutningen. Detta fÀlt Àr försumbar jÀmfört med fÀltet frÄn spolarna och hindrar inte rörligheten hos bubblorna under enhetens drift, men förflyttar bubblorna till fasta positioner i förhÄllande till permalloyelementen nÀr enheten Àr avstÀngd. Den starka vinkelrÀta komponenten frÄn de permanenta magneterna upprÀtthÄller existensen av bubbelmagnetiska domÀner.
Modulen innehÄller följande enheter:
- Minnen av spÄr. Just de spÄr som bestÄr av permalloyelement, vilka hÄller och styr bubblorna.
- Replikationsgenerator. AnvÀnds för att replikera bubblan, som stÀndigt finns pÄ platsen för generationen.
- IngÄngsspÄr och utbytesnoder. Genererade bubblor rör sig lÀngs ingÄngsspÄret. Bubblorna rör sig till ett av 80 underordnade spÄr.
- UtgÄngsspÄr och replikationsnod. Bubblorna lÀses av frÄn dataspÄren utan att förstöras. Bubblan delas i tvÄ delar, och en av dem dirigeras till utgÄngsspÄret.
- Detektor. Bubblor frÄn utgÄngsspÄret hamnar i en magnetoresistiv detektor.
- InlÀsningsspÄr. InlÀsningsspÄret innehÄller information om aktiva och inaktiva dataspÄr.
Nedan kommer vi att titta nÀrmare pÄ dessa noder. Du kan ocksÄ bekanta dig med beskrivningen av dessa noder i [6].
Generering av bubbla
För att generera en bubbla finns det i början av ingÄngsspÄret en ledare som Àr böjd i form av en liten slinga. En strömimpuls passerar igenom, vilket skapar ett magnetfÀlt som Àr starkare Àn fÀltet frÄn permanenta magneter i ett mycket litet omrÄde. Impulsen skapar en bubbla pÄ denna plats, som förblir konstant, upprÀtthÄllen av det permanenta magnetfÀltet, och cirkulerar lÀngs permalloyelementet under inverkan av ett roterande magnetfÀlt. Om vi behöver skriva en etta i minnet skickar vi en kort impuls till den ledande slingan, vilket resulterar i att tvÄ bubblor föds (markerade som Bubble split seed i bilden). En av bubblorna rör sig lÀngs det permalloyspÄret under det roterande fÀltet, den andra förblir pÄ plats och ÄterfÄr snabbt sin ursprungliga storlek. Sedan flyttas den till ett av de underordnade spÄren och byter plats med bubblan som cirkulerar dÀr. Den nÄr i sin tur slutet av ingÄngsspÄret och försvinner.
Byte av bubblor
Byte av bubblor sker nÀr en fyrkantig strömimpuls ges till den motsvarande ledaren. Inga separationer av bubblan sker dÄ.
LĂ€sa data
Data skickas till utgÄngsspÄr genom replikering och fortsÀtter cirkulera i sitt spÄr efter lÀsning. PÄ sÄ sÀtt implementeras en icke-förstörande lÀsmetod i denna enhet. För replikering sÀnds en bubbla under ett lÄngstrÀckt element av permalloy, dÀr den strÀcker sig. OvanpÄ finns ocksÄ en ledare i form av en slinga; om ett elektriskt impulser appliceras pÄ slingan, delas bubblan i tvÄ delar. Elektrisk impulsen bestÄr av en kort sektion med hög ström för att dela bubblan i tvÄ, och en lÀngre sektion med lÀgre ström för att leda bubblan till utgÄngsspÄret.
I slutet av utgÄngsspÄret finns en bubble detector, en magnetoresistiv bro gjord av permalloyelement som bildar en lÄng kedja. NÀr den magnetiska bubblan passerar under permalloyelementet förÀndras dess resistans, och vid broens utgÄng uppstÄr en potentialskillnad pÄ flera millivolt. Utformningen av permalloyelementen Àr sÄ att bubblan rör sig lÀngs dem, och i slutet passerar den in pÄ en speciell "skyddad" buss och försvinner.
Ăverflödighet
Enheten innehÄller 320 spÄr, varje med 4096 bitar. Av dessa Àr 272 aktiva, 48 reserv, inaktiva.
Boot-spÄr (Boot Loop)
Enheten innehÄller 320 dataspÄr, dÀrav Àr 256 avsedda för lagring av anvÀndardata; de andra kan vara defekta eller fungera som reserv för att ersÀtta defekta spÄr. Ett extra spÄr innehÄller information om anvÀndningen av dataspÄren, med 12 bitar per spÄr. NÀr systemet fÄr ström, ska det initieras. Under initieringsprocessen mÄste styrenheten lÀsa boot-spÄret och skriva informationen frÄn det till ett sÀrskilt register i formaterings-/ström-sensorkretsen. DÄ kommer kontrolleraren bara att anvÀnda aktiva spÄr, medan inaktiva spÄr kommer att ignoreras och ingen skrivning kommer att ske dÀr.
Datastore â struktur
Ur anvÀndarens perspektiv lagras data i 2048 sidor, varje med 512 bitar. 256 byte data, 14 bit felkorrigeringskod och 2 oanvÀnda bitar lagras i varje halva av enheten.
Felkorrigering
Felsökning och korrigering av fel kan utföras av strömsensorn som innehÄller en 14-bitars dekodare som rÀttar enstaka fel upp till 5 bitar (burst error) i varje block om 270 bitar (inklusive sjÀlva koden). Koden skrivs till slutet av varje 256-bitars block. Korrigeringskoden kan anvÀndas, eller inte anvÀndas, enligt anvÀndarens önskemÄl, och kodkontrollen kan aktiveras eller inaktiveras i styrenheten. Om koden inte anvÀnds kan alla 270 bitar anvÀndas för anvÀndardata.
Ă tkomsttid
Det magnetiska fÀltet roterar med en frekvens av 50 kHz. Den genomsnittliga Ätkomsttiden till den första biten pÄ den första sidan Àr 41 ms, vilket Àr hÀlften av den tid som krÀvs för att genomföra en komplett cykel lÀngs spÄret plus tiden för att passera utgÄende spÄr.
320 aktiva och reservspÄr Àr uppdelade i fyra delar om 80 spÄr vardera. Denna organisation minskar Ätkomsttiden. Kvartarna adresseras i par: varje par kvarteter innehÄller jÀmna och udda bitar av ordet respektive. Enheten har fyra ingÄngsspÄr med fyra innestÄende bubblor och fyra utgÄngsspÄr. UtgÄngsspÄren anvÀnder tvÄ detektorer, organiserade sÄ att aldrig tvÄ bubblor frÄn tvÄ spÄr kommer in i en och samma detektor samtidigt. PÄ sÄ sÀtt multiplexeras fyra strömmar av bubblor och omvandlas till tvÄ strömmar av bitar som lagras i registren för strömsensorn. DÀr multiplexeras registrens innehÄll igen och nÄr styrenheten via ett seriellt grÀnssnitt.
I den andra delen av artikeln kommer vi att titta nÀrmare pÄ kretsdesignen för bubbelminnesstyrenheten.
4. Referenslista
Författaren har funnit och bevarat en mÀngd anvÀndbar teknisk information om CMD-minne, dess historia och andra relaterade aspekter frÄn de mörkaste hörnen av nÀtet:
1. â Ingenjör Bobeks tvĂ„ minnen
2. â Ingenjör Bobeks tvĂ„ minnen (del 2)
3. â Bubbelminne
4. Anpassning av magnetiskt bubbelminne i en standardmikromiljö
5. â Texas Instruments TIB 0203 Bubbelminne
6. â Minneskomponenthandbok. Intel 1983.
7. 7110 1-Megabit Bubbelminne
KĂ€lla: habr.com
