Фото з колекції автора
1. Історія
Пухирцева пам'ять, або пам'ять на циліндричних магнітних доменах є енергонезалежною пам'яттю, розробленою в Bell Labs в 1967 Ендрю Бобеком (Andrew Bobeck). Дослідження показали, що маленькі магнітні циліндричні домени утворюються в монокристалічних тонких плівках феритів і гранатів, коли досить сильне магнітне поле спрямоване перпендикулярно поверхні плівки. Змінюючи магнітне поле, можна переміщати ці бульбашки. Такі властивості роблять магнітні бульбашки ідеальним засобом для побудови послідовного сховища біт, на кшталт зсувного регістру, в якому наявність або відсутність бульбашки у певній позиції означає нульове чи одиничне значення біта. Діаметр міхура становить десяті частки мікрона, один чіп може зберігати тисячі біт даних. Так, наприклад, навесні 1977 року Texas Instruments вперше представила на ринку чіп ємністю 92304 XNUMX біта. Ця пам'ять є енергонезалежною, що робить її схожою на магнітну стрічку або диск, але так як вона є твердотільною і не містить частин, що рухаються, вона має більшу надійність, ніж стрічка або диск, і не вимагає обслуговування, а також має набагато менші розміри і вагу і може використовуватися в портативних пристроях.
Спочатку винахідник бульбашкової пам'яті, Ендрю Бобек, запропонував «одномірний» варіант пам'яті, у вигляді нитки, на яку намотана тонка смужка феромагнітного матеріалу. Така пам'ять називалася «твісторною», і навіть випускалася серійно, проте незабаром була витіснена «двовимірним» варіантом.
Ви можете ознайомитися з історією створення бульбашкової пам'яті в [1-3].
2. Принцип дії
Тут я прошу мене пробачити, я не фізик, тому виклад буде дуже приблизним.
Деякі матеріали (наприклад, гадолінієво-галлієвий гранат), мають властивість намагнічуватися в одному напрямку, і якщо вздовж цієї осі прикласти постійне магнітне поле, то намагнічені області сформують щось на зразок бульбашок, як показано на малюнку нижче. Кожен міхур має лише кілька мікрон у діаметрі.
Нехай маємо тонку, близько 0,001 дюйма, кристалічну плівку з такого матеріалу, нанесену на немагнітну, наприклад, скляну, підкладку.
Вся справа в чарівних пухирцях. Картинка зліва - магнітне поле відсутня, картинка справа - магнітне поле спрямоване перпендикулярно поверхні плівки.
Якщо на поверхні плівки з такого матеріалу сформувати малюнок з магнітного матеріалу, наприклад, пермалою, залізо-нікелевого сплаву, то бульбашки будуть примагнічувати до елементів цього малюнка. Зазвичай використовуються малюнки у вигляді Т-подібних чи V-подібних елементів.
Одиночний міхур може бути сформований магнітним полем 100-200 ерстед, яке прикладено перпендикулярно магнітній плівці і створюється постійним магнітом, а магнітне поле, що обертається, сформоване двома котушками в напрямках XY, дозволяє переміщати бульбашки-домени від одного магнітного «острівка» до іншого показано малюнку. Після чотириразової зміни напряму магнітного поля домен переміститься від одного острівця до сусіднього.
Все це дозволяє розглядати ЦМД-пристрій як регістр зсуву. Якщо ми формуватимемо бульбашки на одному кінці регістра і детектуватимемо їх на іншому, то ми можемо пустити певний патерн бульбашок по колу, і використовувати систему як запам'ятовуючий пристрій, зчитуючи і записуючи біти в певні моменти часу.
Звідси випливають переваги та недоліки пам'яті на ЦМД: перевагою є енергонезалежність (поки прикладено перпендикулярне поле, створюване постійними магнітами, бульбашки нікуди не зникнуть і не зрушать зі своїх позицій), а недоліком - великий час доступу, т.к. для доступу до довільно взятого біта потрібно прокрутити весь зсувний регістр до потрібної позиції, і чим він довший, тим більше циклів для цього потрібно.
Паттерн магнітних елементів на магнітній плівці ЦМД.
Створення магнітного домену називається англійською «nucleation», і полягає в тому, що до обмотки прикладається струм у кілька сотень міліампер на час близько 100нс, і створюється магнітне поле, перпендикулярне плівці та протилежне полю постійного магніту. При цьому створюється магнітна «бульбашка» — циліндричний магнітний домен у плівці. Процес, на жаль, сильно залежить від температури, можливе невдале завершення операції запису, у якому міхур не сформується, чи формування кількох міхурів.
Для читання даних із плівки використовується кілька технік.
Один спосіб, що не руйнує читання, полягає в детектуванні слабкого магнітного поля циліндричного домену за допомогою магніторезистивного сенсора.
Другим способом є руйнівне читання. Бульбашка відводиться на спеціальний трек генерації/детектування, в якому міхур знищується шляхом намагнічування матеріалу в прямому напрямку. Якщо матеріал був намагнічений у зворотному напрямку, тобто бульбашка була присутня, це викличе більший струм у котушці, і це детектується електронною схемою. Після цього міхур повинен бути повторно згенерований на спеціальному треку запису.
Однак, якщо пам'ять буде організована у вигляді одного безперервного масиву, то вона матиме два великі недоліки. По-перше, час доступу буде дуже великим. По-друге, єдиний дефект у ланцюжку призведе до повної непрацездатності всього пристрою. Тому роблять пам'ять, організовану як одного головного треку, і безлічі підлеглих треків, як показано малюнку.
Пухирцева пам'ять з одним безперервним треком
Пухирцева пам'ять з головним/підлеглими треками
Така конфігурація пам'яті дозволяє не тільки сильно зменшити час доступу, але й дозволяє випускати пристрої пам'яті, що містять дефектні дефектні треки. Контролер пам'яті повинен їх враховувати та обходити при операціях читання/запису.
На малюнку нижче показаний розріз «чіпа» бульбашкової пам'яті.
Також ви можете прочитати про принцип дії бульбашкової пам'яті в [4, 5].
3. Intel 7110
Intel 7110 - модуль бульбашкової пам'яті, MBM (magnetic-bubble memory) ємністю 1 Мб (1048576 біт). Саме його зображено на КДПВ. 1 мегабіт — це ємність для зберігання даних, з урахуванням надлишкових треків повна ємність становить 1310720 біт. Пристрій містить 320 петлеподібних треків (loops) ємністю 4096 біт кожен, але для даних використовуються тільки 256 з них, решта - резерв для заміни «битих» треків і для зберігання надлишкового коду корекції помилок. Пристрій має архітектуру "головний трек-підлеглі треки" (major track-minor loop). Інформація про активні треки міститься в окремому завантажувальному треку (bootstrap loop). На КДПВ ви можете бачити шістнадцятковий код, надрукований прямо на модулі. Це і є карта «битих» треків, 80 шістнадцяткових цифр представляють 320 треків даних, активні представлені одиничним бітом, неактивні — нульовим.
Ви можете ознайомитися з оригінальною документацією на модуль [7].
Пристрій має корпус із дворядним розташуванням висновків та монтується без паяння (у сокет).
Структура модуля показана малюнку:
Масив пам'яті ділиться на дві "напівсекції" (half sections), кожна з яких ділиться на дві "четвіртинки" (quads), кожна четвертинка має 80 підлеглих треків. Модуль містить пластину з магнітним матеріалом, розташовану всередині двох ортогональних обмоток, що створюють магнітне поле, що обертається. Для цього на обмотки подаються сигнали трикутної форми струму, зміщені на 90 градусів відносно один одного. Складання з пластини та обмоток поміщено між постійними магнітами і поміщене в магнітний екран, який замикає магнітний потік, створюваний постійними магнітами та екранує пристрій від зовнішніх магнітних полів. Пластина розміщена під нахилом 2,5 градуса, що створює невелике поле усунення, спрямоване вздовж нахилу. Це поле дуже мало порівняно з полем котушок, і не заважає переміщенню бульбашок при роботі пристрою, але зміщує бульбашки у фіксовані позиції щодо пермалоєвих елементів, коли пристрій вимкнено. Сильна перпендикулярна складова постійних магнітів підтримує існування бульбашкових магнітних доменів.
Модуль містить такі вузли:
- Запам'ятовують треки. Безпосередньо ті треки з пермалоєвих елементів, які утримують і спрямовують бульбашки.
- Генератор реплікації Служить для реплікації бульбашки, яка постійно присутня у місці генерації.
- Вхідний трек та вузли обміну. Згенеровані бульбашки переміщаються вздовж вхідного треку. Бульбашки переміщаються в один із 80 підлеглих треків.
- Вихідний трек та вузол реплікації. Бульбашки вичитуються з треків даних без їх руйнування. Бульбашка поділяється на дві частини, і одна з них прямує у вихідний трек.
- Детектор. Бульбашки з вихідного треку потрапляють у магніторезистивний детектор.
- Завантажувальний трек. Завантажувальний трек містить інформацію про активні та неактивні треки даних.
Нижче ми розглянемо ці вузли докладніше. Також ви можете ознайомитися з описом цих вузлів у [6].
Генерація міхура
Для генерації бульбашки, на початку вхідного треку є провідник, вигнутий у вигляді крихітної петлі. У нього подається імпульс струму, який створює в дуже дрібній області магнітне поле сильніше, ніж поле постійних магнітів. Імпульс створює в цьому місці пляшечку, яка залишається постійно, підтримується постійним магнітним полем, і циркулює вздовж пермаллоевого елемента під дією магнітного поля, що обертається. Якщо нам потрібно записати одиницю в пам'ять, ми подаємо короткий імпульс у петлю, що проводить, і в результаті народжується дві бульбашки (на малюнку позначені як Bubble split seed). Один з бульбашок спрямовується обертовим полем вздовж пермалевого треку, другий залишається на місці і швидко набуває початкового розміру. Потім він переміщається до одного з підлеглих треків і змінюється місцями з бульбашкою, яка циркулює в ньому. Він, у свою чергу, досягає кінця вхідного треку та зникає.
Обмін бульбашками
Обмін бульбашками відбувається, коли у відповідний провідник подається імпульс струму прямокутної форми. У цьому немає поділу бульбашки на частини.
Читання даних
Дані направляються на вихідний трек шляхом їхньої реплікації, і продовжують циркулювати у своєму треку після зчитування. Таким чином, в даному пристрої реалізований спосіб читання, що не руйнує. Для реплікації, міхур прямує під довгастий елемент пермалою, під яким він розтягується. Зверху знаходиться провідник у формі петлі, якщо в петлю подати імпульс струму, міхур розділиться на дві частини. Імпульс струму складається з короткої ділянки з великою силою струму для того, щоб розділити міхур на дві частини, і довшої ділянки з меншою силою струму, для того, щоб направити міхур на вихідний трек.
Наприкінці вихідного треку знаходиться детектор міхура, магніторезистивний міст, виготовлений з пермалоєвих елементів, що утворюють ланцюг великої довжини. Коли магнітний міхур потрапляє під пермалоєвий елемент, його опір змінюється, і на виході моста з'являється різниця потенціалів у кілька мілівольт. Форма пермалоєвих елементів підібрана так, щоб міхур рухався вздовж них, в кінці він потрапляє на спеціальну «охоронну» шину і зникає.
Надмірність
Пристрій містить 320 треків, кожний по 4096 біт. З них 272 активні, 48 запасні, неактивні.
Завантажувальний трек (Boot Loop)
Пристрій містить 320 треків даних, з яких для зберігання даних користувача призначені 256, інші можуть бути несправні або можуть бути запасними для заміни несправних. Один додатковий трек містить інформацію про використання треків даних по 12 біт на кожен трек. Коли на систему подається харчування, вона має бути ініціалізована. У процесі ініціалізації контролер повинен прочитати завантажувальний трек і записати інформацію з нього в спеціальний регістр чіпа форматування/датчика струму. Тоді контролер буде використовувати тільки активні треки, а неактивні ігноруватимуться, і в них не буде записуватися.
Сховище даних - структура
З погляду користувача, дані зберігаються у 2048 сторінках по 512 біт кожна. 256 байт даних, 14 біт коду корекції помилок і 2 біта, що не використовуються, зберігаються в кожній половині пристрою.
Корекція помилок
Виявлення та корекція помилок може здійснюватися мікросхемою датчика струму, яка містить декодер 14-бітного коду, що виправляє поодиноку помилку довжиною до 5 біт (burst error) у кожному блоці з 270 біт (включаючи сам код). Код дописується до кінця кожного 256-бітного блоку. Код корекції може використовуватися або не використовуватися, за бажанням користувача, перевірка коду може бути включена або вимкнена в контролері. Якщо код не використовується, всі 270 біт можуть бути використані для даних користувача.
Час доступу
Магнітне поле обертається із частотою 50 кГц. Середній час доступу до першого біта першої сторінки дорівнює 41 мс, це половина часу, необхідного для здійснення повного циклу треку плюс час проходження вихідного треку.
320 активних та запасних треків розділені на чотири частини по 80 треків у кожній. Така організація скорочує час доступу. Четвертинки адресуються попарно: кожна пара четвертинок містить парні та непарні біти слова відповідно. Пристрій містить чотири вхідні треки з чотирма початковими бульбашками, і чотири вихідні треки. Вихідні треки використовують два детектори, вони організовані таким чином, що в один детектор ніколи не потрапляє дві бульбашки з двох треків одночасно. Таким чином, чотири потоки бульбашок мультиплексуються і перетворюються на два потоки біт і зберігаються в регістрах чіпа датчика струму. Там вміст регістрів знову мультиплексується і за послідовним інтерфейсом потрапляє до контролера.
У другій частині статті ми докладніше розглянемо схемотехніку контролера бульбашкової пам'яті.
4. Список літератури
Автор знайшов у найтемніших куточках мережі та зберіг для вас у масу корисної технічної інформації з пам'яті на ЦМД, її історії та інших пов'язаних аспектів:
1. - Дві пам'яті інженера Бобека
2. - Дві пам'яті інженера Бобека (частина 2)
3. - Bubble memory
4. Adaptation of Magnetic Bubble Memory in a Standard Microcomputer Environment
5. - Texas Instruments TIB 0203 Bubble Memory
6. - Memory Components Handbook. Intel 1983 року.
7. 7110 1-мегабіт Bubble Memory
Джерело: habr.com