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1。 故事
气泡存储器，或圆柱磁畴存储器，是一种非易失性存储器，由 Andrew Bobeck 于 1967 年在贝尔实验室开发。 研究表明，当足够强的磁场垂直于薄膜表面时，会在铁氧体和石榴石的单晶薄膜中形成小的圆柱形磁畴。 通过改变磁场，可以移动这些气泡。 这些特性使磁泡非常适合构建串行位存储，例如移位寄存器，其中特定位置是否存在气泡表示零或一位值。 气泡的直径只有十分之一微米，单个芯片可以存储数千位数据。 因此，例如，在 1977 年春天，德州仪器首先向市场推出了容量为 92304 位的芯片。 这种存储器是非易失性的，使其类似于磁带或磁盘，但由于它是固态的并且没有移动部件，因此它比磁带或磁盘更可靠，不需要维护，而且更小更轻。，和可用于便携式设备。
最初，气泡存储器的发明者 Andrew Bobek 提出了一种“一维”版本的存储器，其形式为一根细线，铁磁材料薄带缠绕在它的周围。 这样的内存被称为“扭曲”内存，甚至被大量生产，但很快就被“二维”版本所取代。
您可以在 [1-3] 中了解气泡存储器的创建历史。
2、工作原理
在这里请大家见谅，我不是物理学家，所以介绍会很粗略。
有些材料（例如钆镓石榴石）具有只在一个方向被磁化的特性，如果沿这个轴施加恒定的磁场，磁化区域会形成类似气泡的东西，如下图所示。 每个气泡的直径只有几微米。
假设我们有一层薄的，大约为 0,001 英寸，这种材料的结晶薄膜沉积在非磁性（例如玻璃）基板上。
这都是关于魔法泡泡的。 左图 - 没有磁场，右图 - 磁场垂直于薄膜表面。
如果在这种材料的薄膜表面上用磁性材料（例如坡莫合金、铁镍合金）形成图案，则气泡将被磁化到该图案的元素上。 通常，使用 T 形或 V 形元素形式的图案。
单个气泡可以由100-200奥斯特的磁场形成，该磁场垂直于磁膜施加并由永磁体产生，两个线圈在XY方向形成的旋转磁场，可以让你移动从一个磁“岛”到另一个磁“岛”的气泡域，如图所示。 在磁场方向发生四倍变化后，磁畴将从一个岛移动到另一个岛。
所有这些使我们可以将 CMD 设备视为一个移位寄存器。 如果我们在寄存器的一端形成气泡并在另一端检测到它们，那么我们就可以吹出特定模式的气泡并将系统用作存储设备，在特定时间读取和写入位。
CMD存储器的优点和缺点从这里开始：优点是能量独立（只要施加永磁体产生的垂直磁场，气泡就不会随处消失，也不会离开它们的位置），缺点是访问时间长，因为要访问任意位，您需要将整个移位寄存器滚动到所需位置，并且它越长，这将需要更多的周期。
CMD磁性薄膜上磁性元件的图案。
磁畴的产生在英语中称为“成核”，包括将数百毫安的电流施加到绕组约 100 ns 的时间，并产生垂直于绕组的磁场薄膜与永磁体的磁场相反。 这会产生一个磁“泡”——薄膜中的一个圆柱形磁畴。 不幸的是，该过程高度依赖于温度，写入操作可能会在没有形成气泡的情况下失败，或者形成多个气泡。
有多种技术可用于从胶片中读取数据。
一种非破坏性读取方法是使用磁阻传感器检测圆柱形域的弱磁场。
第二种方式是破坏性阅读。 气泡被带到一个特殊的生成/检测轨道，在那里气泡被材料的正向磁化破坏。 如果材料被反向磁化，即存在气泡，这将导致线圈中产生更多电流，这将被电子电路检测到。 之后，必须在特殊的记录轨道上重新生成气泡。
然而，如果内存被组织成一个连续的数组，那么它将有两个很大的缺点。 首先，访问时间会很长。 其次，链条中的单个缺陷将导致整个设备完全无法运行。 因此，他们将记忆组织成一个主轨道和多个从轨道，如图所示。
一条连续轨道的泡泡记忆
带主/从轨道的泡泡记忆
这样的存储器配置不仅允许大大减少存取时间，而且允许生产包含一定数量的缺陷轨道的存储器设备。 内存控制器必须考虑到它们并在读/写操作期间绕过它们。
下图显示了气泡存储器“芯片”的横截面。
您还可以在 [4, 5] 中了解气泡记忆的原理。
3。 英特尔7110
Intel 7110 - 泡泡内存模块，MBM（磁泡内存），容量为 1 MB（1048576 位）。 KDPV 上描绘的就是他。 1兆是存储用户数据的容量，考虑到冗余磁道，总容量为1310720比特。 该设备包含 320 个循环磁道（循环），每个容量为 4096 位，但其中只有 256 个用于用户数据，其余部分用于替换“损坏”的磁道和存储冗余纠错码。 该设备具有主轨道-次循环架构。 有关活动轨道的信息包含在单独的引导轨道（引导循环）中。 在 KDPV 上，您可以看到印在模块上的十六进制代码。 这是“损坏”磁道的映射，80 个十六进制数字代表 320 个数据磁道，活动的用一位表示，不活动的用零表示。
您可以在 [7] 中阅读该模块的原始文档。
该设备的外壳采用双排引脚排列，无需焊接即可安装（在插座中）。
模块结构如图所示：
存储器阵列分为两个“半区”（half sections），每个区又分为两个“四分之一”（quads），每个四分之一有80条从磁道。 该模块包含一块带有磁性材料的板，位于两个正交绕组内，可产生旋转磁场。 为此，将相互错开 90 度的三角形电流信号施加到绕组。 极板和绕组的组件放置在永磁体之间，并放置在磁屏蔽中，该磁屏蔽关闭永磁体产生的磁通量并使设备免受外部磁场的影响。 该板放置在 2,5 度的斜坡上，这会沿斜坡产生一个小的位移场。 与线圈的磁场相比，该磁场可以忽略不计，并且在设备运行期间不会干扰气泡的运动，但会在设备关闭时将气泡移动到相对于坡莫合金元件的固定位置。 永磁体的强垂直分量支持气泡磁畴的存在。
该模块包含以下节点：
- 记忆轨迹。 直接保持和引导气泡的坡莫合金元素轨道。
- 复制生成器。 用于气泡的复制，气泡不断出现在生成的地方。
- 输入跟踪和交换节点。 生成的气泡沿着输入轨道移动。 气泡被移动到 80 个从轨道之一。
- 输出轨道和复制节点。 从数据轨道中减去气泡而不破坏它们。 气泡分成两部分，其中一部分进入输出轨道。
- 探测器。 来自输出轨道的气泡进入磁阻检测器。
- 加载轨道。 引导轨道包含有关活动和非活动数据轨道的信息。
下面我们将更详细地查看这些节点。 您还可以阅读 [6] 中对这些节点的描述。
气泡产生
为了产生气泡，在输入轨道的最开始有一个以微小环路形式弯曲的导体。 对其施加电流脉冲，在非常小的区域内产生比永磁体磁场更强的磁场。 脉冲在该点产生气泡，该气泡由恒定磁场永久保持，并在旋转磁场的作用下沿坡莫合金元件循环。 如果我们需要写一个单元到内存，我们给导通回路施加一个短脉冲，结果产生两个气泡（图中表示为Bubble split seed）。 其中一个气泡被沿坡莫合金轨道的旋转场冲走，第二个气泡留在原地并迅速恢复到原来的大小。 然后它移动到其中一个从属轨道，并与在其中循环的气泡交换位置。 它依次到达输入轨道的末尾并消失。
气泡交换
当对相应导体施加矩形电流脉冲时，会发生气泡交换。 在这种情况下，气泡不会分裂成两部分。
读取数据
数据通过复制发送到输出磁道，读取后继续在其磁道中循环。 因此，该设备实现了一种非破坏性的读取方法。 为了复制，气泡被引导到一个细长的坡莫合金元件下方，并在其下被拉伸。 上面还有一个环状的导体，如果在环上施加电流脉冲，气泡就会分成两部分。 电流脉冲包括一个具有高电流的短部分，用于将气泡分成两部分，以及一个具有较小电流的较长部分，用于将气泡引导到出口轨道。
在输出轨道的末端是气泡检测器，这是一个由坡莫合金元件制成的磁阻桥，形成一个长电路。 当磁泡落在坡莫合金元件下时，其电阻发生变化，电桥输出端出现数毫伏的电位差。 选择坡莫合金元件的形状，使气泡沿着它们移动，最后它撞到一个特殊的“防护”轮胎并消失。
冗余
该设备包含 320 个轨道，每个轨道有 4096 位。 其中，272 个处于活动状态，48 个处于备用、非活动状态。
引导轨道（Boot Loop）
该设备包含 320 个数据磁道，其中 256 个用于存储用户数据，其余的可能有故障或可以作为备用来替换故障的磁道。 一个额外的磁道包含有关数据磁道使用的信息，每个磁道 12 位。 当系统上电时，必须对其进行初始化。 在初始化过程中，控制器必须读取引导磁道，并将其中的信息写入格式化芯片/电流传感器的一个特殊寄存器。 然后控制器将只使用活动轨道，而不活动的轨道将被忽略并且不会被写入。
数据仓库 - 结构
从用户的角度来看，数据存储在 2048 页，每页 512 位。 256 字节的数据、14 位的纠错码和 2 个未使用的位存储在设备的每一半中。
纠错
错误检测和纠正可由电流传感器芯片执行，该芯片包含一个 14 位代码解码器，可纠正每个 5 位块（包括代码本身）中最多 270 位长的单个错误（突发错误）。 该代码附加到每个 256 位块的末尾。 校正码可以使用也可以不使用，根据用户的要求，可以在控制器中打开或关闭代码验证。 如果不使用代码，则所有 270 位都可用于用户数据。
访问时间
磁场以 50 kHz 的频率旋转。 访问第一页第一位的平均时间为 41 毫秒，这是通过磁道完成一个完整周期所需时间加上通过输出磁道所需时间的一半。
320 个活动和备用磁道分为四个部分，每个部分 80 个磁道。 该组织减少了访问时间。 四分之一是成对寻址的：每对四分之一分别包含单词的偶数位和奇数位。 该设备包含四个带有四个初始气泡的输入轨道和四个输出轨道。 输出轨道使用两个检测器，它们的组织方式使得来自两个轨道的两个气泡不会同时撞击一个检测器。 这样，四个气泡流被复用并转换成两个比特流并存储在电流传感器芯片的寄存器中。 在那里，寄存器的内容再次被复用并通过串行接口发送到控制器。
在文章的第二部分，我们将仔细研究泡泡内存控制器的电路。
4. 参考文献
笔者在网络最阴暗的角落里，为大家保存了很多关于CMD内存的有用技术资料，它的历史和其他相关方面：
1. ——工程师博贝克的两段回忆
2. - 工程师 Bobek 的两个回忆（第 2 部分）
3. ——泡泡记忆
4. 磁泡存储器在标准微机环境下的适配
5. — 德州仪器 TIB 0203 泡泡存储器
6. — 内存组件手册。 英特尔 1983 年。
7. 7110 1 兆位气泡存储器
来源： habr.com