Foto från författarens samling
1. Historia
Bubbelminne, eller cylindriskt magnetiskt domänminne, är ett icke-flyktigt minne som utvecklades vid Bell Labs 1967 av Andrew Bobeck. Studier har visat att små cylindriska magnetiska domäner bildas i tunna enkristallfilmer av ferriter och granater när ett tillräckligt starkt magnetfält riktas vinkelrätt mot filmens yta. Genom att ändra magnetfältet kan dessa bubblor flyttas. Sådana egenskaper gör magnetiska bubblor idealiska för att bygga seriell bitlagring, som ett skiftregister, där närvaron eller frånvaron av en bubbla vid en viss position indikerar ett noll- eller en bitvärde. Bubblan är tiondels mikron i diameter, och ett enda chip kan lagra tusentals bitar av data. Så till exempel våren 1977 introducerade Texas Instruments först ett chip med en kapacitet på 92304 bitar på marknaden. Detta minne är icke-flyktigt, vilket gör det liknar magnetband eller skiva, men eftersom det är solid state och inte har några rörliga delar, är det mer pålitligt än band eller skiva, kräver inget underhåll och är mycket mindre och lättare. , och kan användas i bärbara enheter.
Ursprungligen föreslog uppfinnaren av bubbelminnet, Andrew Bobek, en "endimensionell" version av minnet, i form av en tråd runt vilken en tunn remsa av ferromagnetiskt material lindas. Ett sådant minne kallades "twistor"-minne, och massproducerades till och med, men ersattes snart av den "tvådimensionella" versionen.
Du kan läsa om historien om skapandet av bubbelminne i [1-3].
2. Funktionsprincip
Här ber jag dig att förlåta mig, jag är ingen fysiker, så presentationen kommer att vara väldigt ungefärlig.
Vissa material (som gadoliniumgalliumgranat) har egenskapen att magnetiseras i endast en riktning, och om ett konstant magnetfält appliceras längs denna axel kommer de magnetiserade områdena att bilda något som liknar bubblor, som visas i figuren nedan. Varje bubbla är bara några mikrometer i diameter.
Antag att vi har en tunn, i storleksordningen 0,001 tum, kristallin film av ett sådant material avsatt på ett icke-magnetiskt, såsom glas, substrat.
Allt handlar om de magiska bubblorna. Bilden till vänster - det finns inget magnetfält, bilden till höger - magnetfältet är riktat vinkelrätt mot filmytan.
Om på ytan av en film av ett sådant material ett mönster bildas av ett magnetiskt material, till exempel permalloy, en järn-nickellegering, kommer bubblorna att magnetiseras till elementen i detta mönster. Typiskt används mönster i form av T-formade eller V-formade element.
En enda bubbla kan bildas av ett magnetfält på 100-200 oersted, som appliceras vinkelrätt mot den magnetiska filmen och skapas av en permanent magnet, och ett roterande magnetfält som bildas av två spolar i XY-riktningarna, gör att du kan röra dig bubbeldomänerna från en magnetisk "ö" till en annan, som detta visas på bilden. Efter en fyrfaldig förändring av magnetfältets riktning kommer domänen att flyttas från en ö till en annan.
Allt detta gör att vi kan betrakta CMD-enheten som ett skiftregister. Om vi bildar bubblor i ena änden av registret och upptäcker dem i den andra, då kan vi blåsa runt ett visst mönster av bubblor och använda systemet som en minnesenhet, läsa och skriva bitar vid vissa tidpunkter.
Härifrån följer fördelarna och nackdelarna med CMD-minne: fördelen är energioberoende (så länge som ett vinkelrät fält skapat av permanentmagneter appliceras, kommer bubblorna inte att försvinna någonstans och kommer inte att flytta från sina positioner), och nackdelen är en lång åtkomsttid, eftersom för att komma åt en godtycklig bit måste du rulla hela skiftregistret till önskad position, och ju längre den är, desto fler cykler kommer detta att kräva.
Mönstret av magnetiska element på CMD-magnetfilmen.
Skapandet av en magnetisk domän kallas på engelska "nucleation", och består i att en ström på flera hundra milliampere appliceras på lindningen under en tid av cirka 100 ns, och ett magnetfält skapas som är vinkelrätt mot film och mitt emot fältet för en permanentmagnet. Detta skapar en magnetisk "bubbla" - en cylindrisk magnetisk domän i filmen. Processen är tyvärr starkt beroende av temperaturen, det är möjligt att en skrivoperation misslyckas utan att en bubbla bildas, eller att flera bubblor bildas.
Flera tekniker används för att läsa data från en film.
Ett sätt, oförstörande avläsning, är att detektera det svaga magnetfältet i den cylindriska domänen med hjälp av en magnetoresistiv sensor.
Det andra sättet är destruktiv läsning. Bubblan leds till ett speciellt genererings/detektionsspår, där bubblan förstörs genom framåtmagnetisering av materialet. Om materialet var omvänt magnetiserat, det vill säga en bubbla var närvarande, skulle detta orsaka mer ström i spolen och detta skulle detekteras av den elektroniska kretsen. Efter det måste bubblan återskapas på ett speciellt inspelningsspår.
Men om minnet är organiserat som en sammanhängande array kommer det att ha två stora nackdelar. För det första kommer åtkomsttiden att vara mycket lång. För det andra kommer en enda defekt i kedjan att leda till att hela enheten inte fungerar. Därför skapar de ett minne organiserat i form av ett huvudspår och många underordnade spår, som visas i figuren.
Bubbelminne med ett kontinuerligt spår
Bubbelminne med master/slav-spår
En sådan minneskonfiguration tillåter inte bara att kraftigt minska åtkomsttiden, utan tillåter också produktion av minnesenheter som innehåller ett visst antal defekta spår. Minneskontrollern måste ta hänsyn till dem och förbigå dem under läs-/skrivoperationer.
Bilden nedan visar ett tvärsnitt av ett bubbelminne "chip".
Du kan också läsa om principen för bubbelminne i [4, 5].
3. Intel 7110
Intel 7110 - bubbelminnesmodul, MBM (magnetisk bubbelminne) med en kapacitet på 1 MB (1048576 bitar). Det är han som är avbildad på KDPV. 1 megabit är kapaciteten för att lagra användardata, med hänsyn till redundanta spår, den totala kapaciteten är 1310720 bitar. Enheten innehåller 320 loopade spår (loopar) med en kapacitet på 4096 bitar vardera, men endast 256 av dem används för användardata, resten är en reserv för att ersätta "trasiga" spår och för att lagra redundant felkorrigeringskod. Enheten har en stor track-minor loop-arkitektur. Information om aktiva spår finns i ett separat startspår (bootstrap loop). På KDPV kan du se den hexadecimala koden tryckt direkt på modulen. Detta är kartan över "trasiga" spår, 80 hexadecimala siffror representerar 320 dataspår, aktiva representeras av en enda bit, inaktiva av noll.
Du kan läsa originaldokumentationen för modulen i [7].
Enheten har ett fodral med ett dubbelradsarrangemang av stift och är monterad utan lödning (i ett uttag).
Modulens struktur visas i figuren:
Minnesarrayen är uppdelad i två "halvsektioner" (halvsektioner), som var och en är uppdelad i två "quarters" (quads), varje fjärdedel har 80 slavspår. Modulen innehåller en platta med magnetiskt material placerad inuti två ortogonala lindningar som skapar ett roterande magnetfält. För att göra detta appliceras strömsignaler med en triangulär form, förskjutna med 90 grader i förhållande till varandra, på lindningarna. Monteringen av plattan och lindningarna placeras mellan permanentmagneterna och placeras i en magnetisk skärm som stänger det magnetiska flödet som genereras av permanentmagneterna och skyddar enheten från externa magnetfält. Plattan placeras i 2,5 graders lutning, vilket skapar ett litet förskjutningsfält längs lutningen. Detta fält är försumbart jämfört med spolarnas fält och stör inte bubblornas rörelse under anordningens drift, utan förskjuter bubblorna till fasta lägen i förhållande till permalloyelementen när anordningen stängs av. Den starka vinkelräta komponenten av permanentmagneter stödjer förekomsten av bubbelmagnetiska domäner.
Modulen innehåller följande noder:
- Minnesspår. Direkt de spåren av permalloyelement som håller och styr bubblorna.
- replikeringsgenerator. Fungerar för replikeringen av bubblan, som ständigt är närvarande vid generationens plats.
- Ingångsspår och utbytesnoder. De genererade bubblorna rör sig längs inmatningsspåret. Bubblor flyttas till ett av 80 slavspår.
- Utdataspår och replikeringsnod. Bubblor subtraheras från dataspår utan att förstöra dem. Bubblan delas i två delar, och en av dem går till utgångsspåret.
- Detektor. Bubblor från utgångsspåret kommer in i den magnetoresistiva detektorn.
- Laddar spår. Startspåret innehåller information om aktiva och inaktiva dataspår.
Nedan kommer vi att titta på dessa noder mer i detalj. Du kan också läsa beskrivningen av dessa noder i [6].
bubbelgenerering
För att generera en bubbla finns det i början av ingångsspåret en ledare böjd i form av en liten slinga. En strömpuls appliceras på den, vilket skapar ett magnetfält på ett mycket litet område starkare än fältet för permanentmagneter. Impulsen skapar en bubbla vid denna punkt, som förblir permanent upprätthållen av ett konstant magnetfält och cirkulerar längs permalloyelementet under inverkan av ett roterande magnetfält. Om vi behöver skriva en enhet till minnet applicerar vi en kort puls på den ledande slingan, och som ett resultat föds två bubblor (indikerat som Bubble split seed i figuren). En av bubblorna rusas av det roterande fältet längs permalloybanan, den andra förblir på plats och får snabbt sin ursprungliga storlek. Den flyttar sedan till ett av slavspåren och byter plats med bubblan som cirkulerar i den. Den når i sin tur slutet av inmatningsspåret och försvinner.
Bubble Exchange
Bubbelbyte sker när en rektangulär strömpuls appliceras på motsvarande ledare. I det här fallet delas bubblan inte i två delar.
Läser data
Data skickas till utmatningsspåret genom replikering och fortsätter att cirkulera i dess spår efter att ha lästs. Den här enheten implementerar således en oförstörande läsningsmetod. För att replikera styrs bubblan under ett långsträckt permalloyelement, under vilket den sträcks. Ovanför finns också en ledare i form av en slinga, om en strömpuls appliceras på slingan kommer bubblan att delas i två delar. Strömpulsen består av en kort sektion med hög ström för att dela bubblan i två delar, och en längre sektion med mindre ström för att styra bubblan till utgångsspåret.
I slutet av utgångsspåret finns Bubble Detector, en magnetoresistiv brygga gjord av permalloy-element som bildar en lång krets. När en magnetisk bubbla faller under ett permalloy-element ändras dess motstånd, och en potentialskillnad på flera millivolt uppträder vid utgången av bron. Formen på permalloyelementen är vald så att bubblan rör sig längs dem, i slutet träffar den ett speciellt "vakt"-däck och försvinner.
Redundans
Enheten innehåller 320 spår, var och en med 4096 bitar. Av dessa är 272 aktiva, 48 reserv, inaktiva.
Boot Track (Boot Loop)
Enheten innehåller 320 dataspår, varav 256 är avsedda för lagring av användardata, resten kan vara felaktiga eller kan fungera som reservdelar för att ersätta felaktiga. Ytterligare ett spår innehåller information om användningen av dataspår, 12 bitar per spår. När systemet startar måste det initieras. Under initieringsprocessen måste styrenheten läsa startspåret och skriva information från det till ett speciellt register för formateringschippet/strömsensorn. Då kommer styrenheten endast att använda aktiva spår, och inaktiva kommer att ignoreras och kommer inte att skrivas till.
Data Warehouse - Struktur
Ur användarens synvinkel lagras data i 2048 sidor om 512 bitar vardera. 256 byte data, 14 bitar felkorrigeringskod och 2 oanvända bitar lagras i varje halva av enheten.
Felkorrigering
Feldetektering och korrigering kan utföras av ett aktuellt sensorchip, som innehåller en 14-bitars kodavkodare som korrigerar ett enda fel upp till 5 bitar långt (burst error) i varje block om 270 bitar (inklusive själva koden). Koden läggs till i slutet av varje 256-bitars block. Korrigeringskoden kan användas eller inte användas, på begäran av användaren kan kodverifiering slås på eller av i styrenheten. Om ingen kod används kan alla 270 bitar användas för användardata.
Åtkomsttid
Magnetfältet roterar med en frekvens på 50 kHz. Den genomsnittliga åtkomsttiden till den första biten på första sidan är 41 ms, vilket är hälften av den tid det tar att slutföra en hel cykel genom spåret plus den tid det tar att gå genom utmatningsspåret.
De 320 aktiva och reservbanorna är uppdelade i fyra delar om 80 spår vardera. Denna organisation minskar åtkomsttiden. Kvarter adresseras i par: varje par av fjärdedelar innehåller jämna respektive udda bitar av ordet. Enheten innehåller fyra ingångsspår med fyra initiala bubblor och fyra utmatningsspår. Utgångsspåren använder två detektorer, de är organiserade på ett sådant sätt att två bubblor från två spår aldrig träffar en detektor samtidigt. Således multiplexeras de fyra bubbelströmmarna och omvandlas till tvåbitströmmar och lagras i det aktuella sensorchipets register. Där multiplexas innehållet i registren igen och skickas till styrenheten via det seriella gränssnittet.
I den andra delen av artikeln kommer vi att titta närmare på kretsarna för bubbelminneskontrollern.
4. Referenser
Författaren hittade i de mörkaste hörnen av nätverket och sparade åt dig mycket användbar teknisk information om minnet på CMD, dess historia och andra relaterade aspekter:
1. — Två minnen av ingenjör Bobek
2. - Två minnen av ingenjör Bobek (del 2)
3. — Bubbla minne
4. Anpassning av magnetiskt bubbelminne i en standard mikrodatormiljö
5. - Texas Instruments TIB 0203 Bubble Memory
6. — Handbok för minneskomponenter. Intel 1983.
7. 7110 1-megabit bubbelminne
Källa: will.com