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1。 的歷史
氣泡存儲器，或圓柱磁疇存儲器，是一種非易失性存儲器，由 Andrew Bobeck 於 1967 年在貝爾實驗室開發。 研究表明，當足夠強的磁場垂直於薄膜表面時，會在鐵氧體和石榴石的單晶薄膜中形成小的圓柱形磁疇。 通過改變磁場，可以移動這些氣泡。 這些特性使磁泡非常適合構建串行位存儲，例如移位寄存器，其中特定位置是否存在氣泡表示零或一位值。 氣泡的直徑只有十分之一微米，單個芯片可以存儲數千位數據。 因此，例如，在 1977 年春天，德州儀器首先向市場推出了容量為 92304 位的芯片。 這種存儲器是非易失性的，使其類似於磁帶或磁盤，但由於它是固態的並且沒有移動部件，因此它比磁帶或磁盤更可靠，不需要維護，而且更小更輕。，和可用於便攜式設備。
最初，氣泡存儲器的發明者 Andrew Bobek 提出了一種“一維”版本的存儲器，其形式為一根細線，鐵磁材料薄帶纏繞在它的周圍。 這樣的內存被稱為“扭曲”內存，甚至被大量生產，但很快就被“二維”版本所取代。
您可以在 [1-3] 中了解氣泡存儲器的創建歷史。
2、工作原理
在這裡請大家見諒，我不是物理學家，所以介紹會很粗略。
有些材料（例如钆鎵石榴石）具有隻在一個方向被磁化的特性，如果沿這個軸施加恆定的磁場，磁化區域會形成類似氣泡的東西，如下圖所示。 每個氣泡的直徑只有幾微米。
假設我們有一層薄的，大約為 0,001 英寸，這種材料的結晶薄膜沉積在非磁性（例如玻璃）基板上。
這都是關於魔法泡泡的。 左圖 - 沒有磁場，右圖 - 磁場垂直於薄膜表面。
如果在這種材料的薄膜表面上用磁性材料（例如坡莫合金、鐵鎳合金）形成圖案，則氣泡將被磁化到該圖案的元素上。 通常，使用 T 形或 V 形元素形式的圖案。
單個氣泡可以由100-200奧斯特的磁場形成，該磁場垂直於磁膜施加並由永磁體產生，兩個線圈在XY方向形成的旋轉磁場，可以讓你移動從一個磁“島”到另一個磁“島”的氣泡域，如圖所示。 在磁場方向發生四倍變化後，磁疇將從一個島移動到另一個島。
所有這些使我們可以將 CMD 設備視為一個移位寄存器。 如果我們在寄存器的一端形成氣泡並在另一端檢測到它們，那麼我們就可以吹出特定模式的氣泡並將系統用作存儲設備，在特定時間讀取和寫入位。
CMD存儲器的優點和缺點從這裡開始：優點是能量獨立（只要施加永磁體產生的垂直磁場，氣泡就不會隨處消失，也不會離開它們的位置），缺點是訪問時間長，因為要訪問任意位，您需要將整個移位寄存器滾動到所需位置，並且它越長，這將需要更多的周期。
CMD磁性薄膜上磁性元件的圖案。
磁疇的產生在英語中稱為“成核”，包括將數百毫安的電流施加到繞組約 100 ns 的時間，並產生垂直於繞組的磁場薄膜與永磁體的磁場相反。 這會產生一個磁“泡”——薄膜中的一個圓柱形磁疇。 不幸的是，該過程高度依賴於溫度，寫入操作可能會在沒有形成氣泡的情況下失敗，或者形成多個氣泡。
有多種技術可用於從膠片中讀取數據。
一種非破壞性讀取方法是使用磁阻傳感器檢測圓柱形域的弱磁場。
第二種方式是破壞性閱讀。 氣泡被帶到一個特殊的生成/檢測軌道，在那裡氣泡被材料的正向磁化破壞。 如果材料被反向磁化，即存在氣泡，這將導致線圈中產生更多電流，這將被電子電路檢測到。 之後，必須在特殊的記錄軌道上重新生成氣泡。
然而，如果內存被組織成一個連續的數組，那麼它將有兩個很大的缺點。 首先，訪問時間會很長。 其次，鏈條中的單個缺陷將導致整個設備完全無法運行。 因此，他們將記憶組織成一個主軌道和多個從軌道，如圖所示。
一條連續軌道的泡泡記憶
帶主/從軌道的泡泡記憶
這樣的存儲器配置不僅允許大大減少存取時間，而且允許生產包含一定數量的缺陷軌道的存儲器設備。 內存控制器必須考慮到它們並在讀/寫操作期間繞過它們。
下圖顯示了氣泡存儲器“芯片”的橫截面。
您還可以在 [4, 5] 中了解氣泡記憶的原理。
3。 英特爾7110
Intel 7110 - 泡泡內存模塊，MBM（磁泡內存），容量為 1 MB（1048576 位）。 KDPV 上描繪的就是他。 1兆是存儲用戶數據的容量，考慮到冗餘磁道，總容量為1310720比特。 該設備包含 320 個循環磁道（循環），每個容量為 4096 位，但其中只有 256 個用於用戶數據，其餘部分用於替換“損壞”的磁道和存儲冗餘糾錯碼。 該設備具有主軌道-次循環架構。 有關活動軌道的信息包含在單獨的引導軌道（引導循環）中。 在 KDPV 上，您可以看到印在模塊上的十六進制代碼。 這是“損壞”磁道的映射，80 個十六進制數字代表 320 個數據磁道，活動的用一位表示，不活動的用零表示。
您可以在 [7] 中閱讀該模塊的原始文檔。
該設備的外殼採用雙排引腳排列，無需焊接即可安裝（在插座中）。
模塊結構如圖所示：
存儲器陣列分為兩個“半區”（half sections），每個區又分為兩個“四分之一”（quads），每個四分之一有80條從磁道。 該模塊包含一塊帶有磁性材料的板，位於兩個正交繞組內，可產生旋轉磁場。 為此，將相互錯開 90 度的三角形電流信號施加到繞組。 極板和繞組的組件放置在永磁體之間，並放置在磁屏蔽中，該磁屏蔽關閉永磁體產生的磁通量並使設備免受外部磁場的影響。 該板放置在 2,5 度的斜坡上，這會沿斜坡產生一個小的位移場。 與線圈的磁場相比，該磁場可以忽略不計，並且在設備運行期間不會干擾氣泡的運動，但會在設備關閉時將氣泡移動到相對於坡莫合金元件的固定位置。 永磁體的強垂直分量支持氣泡磁疇的存在。
該模塊包含以下節點：
- 記憶軌跡。 直接保持和引導氣泡的坡莫合金元素軌道。
- 複製生成器。 用於氣泡的複制，氣泡不斷出現在生成的地方。
- 輸入跟踪和交換節點。 生成的氣泡沿著輸入軌道移動。 氣泡被移動到 80 個從軌道之一。
- 輸出軌道和復制節點。 從數據軌道中減去氣泡而不破壞它們。 氣泡分成兩部分，其中一部分進入輸出軌道。
- 探測器。 來自輸出軌道的氣泡進入磁阻檢測器。
- 加載軌道。 引導軌道包含有關活動和非活動數據軌道的信息。
下面我們將更詳細地查看這些節點。 您還可以閱讀 [6] 中對這些節點的描述。
氣泡產生
為了產生氣泡，在輸入軌道的最開始有一個以微小環路形式彎曲的導體。 對其施加電流脈衝，在非常小的區域內產生比永磁體磁場更強的磁場。 脈沖在該點產生氣泡，該氣泡由恆定磁場永久保持，並在旋轉磁場的作用下沿坡莫合金元件循環。 如果我們需要寫一個單元到內存，我們給導通迴路施加一個短脈衝，結果產生兩個氣泡（圖中表示為Bubble split seed）。 其中一個氣泡被沿坡莫合金軌道的旋轉場沖走，第二個氣泡留在原地並迅速恢復到原來的大小。 然後它移動到其中一個從屬軌道，並與在其中循環的氣泡交換位置。 它依次到達輸入軌道的末尾並消失。
氣泡交換
當對相應導體施加矩形電流脈衝時，會發生氣泡交換。 在這種情況下，氣泡不會分裂成兩部分。
讀取數據
數據通過複製發送到輸出磁道，讀取後繼續在其磁道中循環。 因此，該設備實現了一種非破壞性的讀取方法。 為了複製，氣泡被引導到一個細長的坡莫合金元件下方，並在其下被拉伸。 上面還有一個環狀的導體，如果在環上施加電流脈衝，氣泡就會分成兩部分。 電流脈衝包括一個具有高電流的短部分，用於將氣泡分成兩部分，以及一個具有較小電流的較長部分，用於將氣泡引導到出口軌道。
在輸出軌道的末端是氣泡檢測器，這是一個由坡莫合金元件製成的磁阻橋，形成一個長電路。 當磁泡落在坡莫合金元件下時，其電阻發生變化，電橋輸出端出現數毫伏的電位差。 選擇坡莫合金元件的形狀，使氣泡沿著它們移動，最後它撞到一個特殊的“防護”輪胎並消失。
冗餘
該設備包含 320 個軌道，每個軌道有 4096 位。 其中，272 個處於活動狀態，48 個處於備用、非活動狀態。
引導軌道（Boot Loop）
該設備包含 320 個數據磁道，其中 256 個用於存儲用戶數據，其餘的可能有故障或可以作為備用來替換故障的磁道。 一個額外的磁道包含有關數據磁道使用的信息，每個磁道 12 位。 當系統上電時，必須對其進行初始化。 在初始化過程中，控制器必須讀取引導磁道，並將其中的信息寫入格式化芯片/電流傳感器的一個特殊寄存器。 然後控制器將只使用活動軌道，而不活動的軌道將被忽略並且不會被寫入。
數據倉庫 - 結構
從用戶的角度來看，數據存儲在 2048 頁，每頁 512 位。 256 字節的數據、14 位的糾錯碼和 2 位未使用的位存儲在設備的每一半中。
糾錯
錯誤檢測和糾正可由電流傳感器芯片執行，該芯片包含一個 14 位代碼解碼器，可糾正每個 5 位塊（包括代碼本身）中最多 270 位長的單個錯誤（突發錯誤）。 該代碼附加到每個 256 位塊的末尾。 校正碼可以使用也可以不使用，根據用戶的要求，可以在控制器中打開或關閉代碼驗證。 如果不使用代碼，則所有 270 位都可用於用戶數據。
訪問時間
磁場以 50 kHz 的頻率旋轉。 訪問第一頁第一位的平均時間為 41 毫秒，這是通過磁道完成一個完整週期所需時間加上通過輸出磁道所需時間的一半。
320 個活動和備用磁道分為四個部分，每個部分 80 個磁道。 該組織減少了訪問時間。 四分之一是成對尋址的：每對四分之一分別包含單詞的偶數位和奇數位。 該設備包含四個帶有四個初始氣泡的輸入軌道和四個輸出軌道。 輸出軌道使用兩個檢測器，它們的組織方式使得來自兩個軌道的兩個氣泡不會同時撞擊一個檢測器。 這樣，四個氣泡流被復用並轉換成兩個比特流並存儲在電流傳感器芯片的寄存器中。 在那裡，寄存器的內容再次被復用並通過串行接口發送到控制器。
在文章的第二部分，我們將仔細研究泡泡內存控制器的電路。
4. 參考資料
筆者在網絡最陰暗的角落裡，為大家保存了很多關於CMD內存的有用技術資料，它的歷史和其他相關方面：
1. ——工程師博貝克的兩段回憶
2. - 工程師 Bobek 的兩個回憶（第 2 部分）
3. ——泡泡記憶
4. 磁泡存儲器在標準微機環境下的適配
5. — 德州儀器 TIB 0203 泡泡存儲器
6. — 內存組件手冊。 英特爾 1983 年。
7. 7110 1 兆位氣泡存儲器
來源： www.habr.com