Memoria en dominios magnéticos cilíndricos. Parte 1. Principio de trabajo

Foto de la colección del autor.

1. Historia

La memoria de burbujas, o memoria en dominios magnéticos cilíndricos, es una memoria no volátil desarrollada por Bell Labs en 1967 por Andrew Bobeck. Los estudios han demostrado que se forman pequeños dominios magnéticos cilíndricos en películas delgadas de cristal simple de ferrita y granate, cuando se dirige un campo magnético suficientemente fuerte perpendicular a la superficie de la película. Al cambiar el campo magnético, puede mover estas burbujas. Dichas propiedades hacen que las burbujas magnéticas sean una herramienta ideal para construir un almacenamiento secuencial de bits, como un registro de desplazamiento, en el que la presencia o ausencia de una burbuja en una determinada posición significa cero o un solo valor de bit. El diámetro de la burbuja es de décimas de micrón, un chip puede almacenar miles de bits de datos. Por ejemplo, en la primavera de 1977, Texas Instruments introdujo por primera vez un chip de 92304 bits en el mercado. Esta memoria no es volátil, lo que hace que parezca una cinta o disco magnético, pero como es de estado sólido y no contiene partes móviles, tiene una mayor confiabilidad que una cinta o disco, no requiere mantenimiento y además tiene dimensiones y peso mucho más pequeños. , y se puede usar en dispositivos portátiles.

El inventor original de la memoria de burbujas, Andrew Bobek, propuso una versión "unidimensional" de la memoria, en forma de un hilo en el que se enrolla una delgada tira de material ferromagnético. Tal recuerdo se llamó "twistor", e incluso se produjo en serie, pero pronto fue reemplazado por una versión "bidimensional".

Puede familiarizarse con la historia de la creación de memoria de burbujas en [1-3].

2. El principio de acción.

Aquí te pido que me perdones, no soy físico, por lo que la presentación será muy aproximada.

Algunos materiales (por ejemplo, granate de gadolinio-galio) tienen la propiedad de magnetizarse en una sola dirección, y si se aplica un campo magnético constante a lo largo de este eje, las regiones magnetizadas formarán algo parecido a burbujas, como se muestra en la figura a continuación. Cada burbuja tiene solo unas pocas micras de diámetro.

Supongamos que tenemos una película cristalina delgada, del orden de 0.001 pulgadas, de tal material depositado en un sustrato no magnético, por ejemplo, de vidrio.


Se trata de las burbujas mágicas. Imagen a la izquierda - no hay campo magnético, imagen a la derecha - el campo magnético se dirige perpendicular a la superficie de la película.

Si en la superficie de una película de dicho material se forma un patrón de material magnético, por ejemplo, permalloy, una aleación de hierro y níquel, entonces las burbujas se magnetizarán en los elementos de este patrón. Normalmente se usan patrones en forma de T o en forma de V.

Se puede formar una sola burbuja mediante un campo magnético de 100-200 Oersted, que se aplica perpendicularmente a la película magnética y se crea mediante un imán permanente, y un campo magnético giratorio formado por dos bobinas en las direcciones XY le permite mover burbujas de dominio de una "isla" magnética a otra, de esta manera se muestra en la figura. Después de un cambio cuádruple en la dirección del campo magnético, el dominio se mueve de una isla a la siguiente.



Todo esto nos permite considerar el dispositivo CMD como un registro de desplazamiento. Si formamos burbujas en un extremo del registro y las detectamos en el otro, entonces podemos lanzar un patrón específico de burbujas en un círculo y usar el sistema como dispositivo de almacenamiento, leer y escribir bits en ciertos puntos en el tiempo.

Las ventajas y desventajas de la memoria en el CMD se deducen a partir de aquí: la ventaja es la no volatilidad (siempre que se aplique el campo perpendicular creado por los imanes permanentes, las burbujas no desaparecerán y no se moverán de sus posiciones), y la desventaja es el largo tiempo de acceso, porque Para acceder a un bit arbitrario, debe desplazar todo el registro de desplazamiento a la posición deseada, y cuanto más largo sea, más ciclos tomará.


El patrón de elementos magnéticos en una cinta magnética CMD.

La creación de un dominio magnético se llama en inglés "nucleación" y consiste en el hecho de que se aplica una corriente de varios cientos de miliamperios al devanado durante un tiempo de aproximadamente 100 ns, y se crea un campo magnético perpendicular a la película y opuesto al campo del imán permanente. Esto crea una "burbuja" magnética, un dominio magnético cilíndrico en la película. Desafortunadamente, el proceso depende en gran medida de la temperatura, la operación de escritura puede fallar si no se forma una burbuja o se forman varias burbujas.

Se utilizan varias técnicas para leer datos de la película.

Un método de lectura no destructivo es detectar un campo magnético débil de un dominio cilíndrico utilizando un sensor magnetorresistivo.

La segunda forma es la lectura destructiva. La burbuja se desvía a una pista especial de generación / detección en la que la burbuja se destruye magnetizando el material en la dirección hacia adelante. Si el material se magnetizó en la dirección opuesta, es decir, había una burbuja presente, esto provocará una mayor corriente en la bobina, y esto es detectado por el circuito electrónico. Después de eso, la burbuja debe regenerarse en una pista de grabación especial.


Sin embargo, si la memoria está organizada como una única matriz continua, tendrá dos inconvenientes principales. En primer lugar, el tiempo de acceso será muy largo. En segundo lugar, el único defecto en la cadena conducirá a la inoperancia completa de todo el dispositivo. Por lo tanto, crean una memoria organizada en forma de una pista principal y muchas pistas subordinadas, como se muestra en la figura.


Memoria de burbujas con una pista continua


Memoria de burbujas con pistas maestras / esclavas

Esta configuración de memoria permite no solo reducir significativamente el tiempo de acceso, sino que también permite la liberación de dispositivos de memoria que contienen varias pistas defectuosas. El controlador de memoria debe tenerlos en cuenta y omitirlos durante las operaciones de lectura / escritura.

La siguiente figura muestra una sección del "chip" de la memoria de burbujas.



También puede leer sobre el principio de acción de la memoria de burbujas en [4, 5].

3. Intel 7110

Intel 7110: módulo de memoria de burbujas, MBM (memoria de burbujas magnéticas) con una capacidad de 1 MB (1048576 bits). Es él quien está representado en el KDPV. 1 megabit es una capacidad para almacenar datos de usuario, teniendo en cuenta pistas redundantes, la capacidad total es de 1310720 bits. El dispositivo contiene 320 bucles con una capacidad de 4096 bits cada uno, pero solo 256 de ellos se usan para datos del usuario, el resto es una reserva para reemplazar las pistas "batidas" y para almacenar el código de corrección de errores redundante. El dispositivo tiene la arquitectura de las "pistas principales subordinadas a la pista" (pista principal-bucle menor). La información sobre las pistas activas está contenida en una pista de arranque separada (bucle bootstrap). En el KDPV puede ver el código hexadecimal impreso directamente en el módulo. Este es un mapa de pistas "rotas", 80 dígitos hexadecimales representan 320 pistas de datos, las activas están representadas por un solo bit, los bits inactivos están representados por cero.

Puede leer la documentación original del módulo en [7].

El dispositivo tiene una caja con una disposición de terminales de dos filas y se monta sin soldar (en el zócalo).

La estructura del módulo se muestra en la figura:



La matriz de memoria se divide en dos "medias secciones" (medias secciones), cada una de las cuales se divide en dos "cuartos" (quads), cada cuarto tiene 80 pistas subordinadas. El módulo contiene una placa con material magnético ubicado dentro de dos devanados ortogonales que crean un campo magnético giratorio. Para hacer esto, se envían señales de corriente de forma triangular a los devanados, que se compensan 90 grados entre sí. El conjunto de la placa y los devanados se coloca entre los imanes permanentes y se coloca en una pantalla magnética, que cierra el flujo magnético generado por los imanes permanentes y protege el dispositivo de los campos magnéticos externos. La placa se coloca en un ángulo de 2.5 grados, lo que crea un pequeño campo de polarización dirigido a lo largo de la inclinación. Este campo es insignificante en comparación con el campo de las bobinas, y no interfiere con el movimiento de las burbujas durante el funcionamiento del dispositivo, sino que desplaza las burbujas a posiciones fijas en relación con los elementos de permalloy cuando el dispositivo está apagado. El fuerte componente perpendicular de los imanes permanentes respalda la existencia de dominios magnéticos de burbujas.



El módulo contiene los siguientes nodos:

1. Memorizar pistas. Directamente esas pistas de elementos de permalloy que sostienen y dirigen las burbujas.
2. Generador de replicación. Sirve para la replicación de la burbuja, que está constantemente presente en el sitio de generación.
3. Entrada de seguimiento e intercambio de nodos. Las burbujas generadas se mueven a lo largo de la pista de entrada. Las burbujas se mueven a una de las 80 pistas subordinadas.
4. Pista de salida y nodo de replicación. Las burbujas se restan de las pistas de datos sin romperlas. La burbuja se divide en dos partes, y una de ellas se envía a la pista de salida.
5. Detector Las burbujas de la pista de salida caen en el detector magnetorresistivo.
6. Pista de arranque. La pista de arranque contiene información sobre pistas de datos activas e inactivas.

A continuación consideraremos estos nodos con más detalle. También puede leer la descripción de estos nodos en [6].

Generación de burbujas

Para generar una burbuja, al comienzo de la pista de entrada hay un conductor curvado en forma de un pequeño bucle. Se le aplica un pulso actual, que crea un campo magnético más fuerte en una región muy pequeña que el campo de los imanes permanentes. El pulso crea una burbuja en este lugar, que permanece constante, sostenida por un campo magnético constante, y circula a lo largo del elemento permalloy bajo la acción de un campo magnético giratorio. Si necesitamos escribir una unidad en la memoria, le damos un pulso corto al bucle conductor, y como resultado nacen dos burbujas (indicadas en la imagen como semilla dividida de la burbuja). Una de las burbujas se precipita por un campo giratorio a lo largo de la pista de permalloy, la segunda permanece en su lugar y adquiere rápidamente su tamaño original. Luego se mueve a una de las pistas subordinadas y cambia de lugar con una burbuja que circula en ella. Él, a su vez, llega al final de la pista de entrada y desaparece.

Intercambio de burbujas

El intercambio de burbujas ocurre cuando se aplica un pulso de corriente rectangular al conductor correspondiente. No hay separación de la burbuja en dos partes.

Lectura de datos

Los datos se envían a la pista de salida al replicarlos y continúan circulando en su pista después de la lectura. Por lo tanto, el método de lectura no destructiva se implementa en este dispositivo. Para la replicación, la burbuja se dirige debajo del elemento permalloy oblongo, debajo del cual se estira. También hay un conductor en forma de bucle en la parte superior, si se aplica un pulso de corriente al bucle, la burbuja se dividirá en dos partes. El pulso actual consiste en una sección corta con una gran intensidad de corriente para dividir la burbuja en dos partes, y una sección más larga con una menor intensidad de corriente, para dirigir la burbuja a la pista de salida.

Al final de la pista de salida hay un detector de burbujas, un puente magnetorresistivo hecho de elementos de permalloy que forman una cadena larga. Cuando una burbuja magnética cae bajo un elemento de permalloy, su resistencia cambia y aparece una diferencia potencial de varios milivoltios en la salida del puente. La forma de los elementos de permalloy se selecciona para que la burbuja se mueva a lo largo de ellos, al final cae sobre un neumático especial "protector" y desaparece.

Redundancia

El dispositivo contiene 320 pistas, cada una de 4096 bits. De estos, 272 están activos, 48 ​​son de repuesto, inactivos.

Boot Loop

El dispositivo contiene 320 pistas de datos, de las cuales 256 están destinadas a almacenar datos del usuario, el resto puede estar funcionando mal o pueden servir como repuestos para reemplazar los que funcionan mal. Una pista adicional contiene información sobre el uso de pistas de datos, 12 bits por pista. Cuando se suministra energía al sistema, debe inicializarse. Durante el proceso de inicialización, el controlador debe leer la pista de arranque y escribir la información en el registro especial del chip de formateo / sensor de corriente. Entonces el controlador usará solo pistas activas, y las inactivas serán ignoradas, y no serán grabadas.

Almacén de datos - Estructura

Desde el punto de vista del usuario, los datos se almacenan en 2048 páginas de 512 bits cada una. 256 bytes de datos, 14 bits del código de corrección de errores y 2 bits no utilizados se almacenan en cada mitad del dispositivo.

Corrección de errores

Los errores pueden detectarse y corregirse utilizando un chip sensor actual que contiene un decodificador de código de 14 bits que corrige un solo error de ráfaga en cada bloque de 270 bits (incluido el código mismo). El código se agrega al final de cada bloque de 256 bits. El código de corrección se puede usar o no, a petición del usuario, la verificación del código se puede activar o desactivar en el controlador. Si no se usa el código, se pueden usar los 270 bits para los datos del usuario.

Tiempo de acceso

El campo magnético gira a una frecuencia de 50 kHz. El tiempo de acceso promedio al primer bit de la primera página es de 41 ms, que es la mitad del tiempo requerido para completar el ciclo en la pista más el tiempo que lleva salir de la pista.

320 pistas activas y de repuesto se dividen en cuatro partes con 80 pistas cada una. Tal organización reduce el tiempo de acceso. Los trimestres se abordan en pares: cada par de trimestres contiene bits pares e impares de la palabra, respectivamente. El dispositivo contiene cuatro pistas de entrada con cuatro burbujas iniciales y cuatro pistas de salida. Las pistas de salida usan dos detectores; están organizados de tal manera que dos burbujas de dos pistas al mismo tiempo nunca caen en un detector. Por lo tanto, cuatro flujos de burbujas se multiplexan y se convierten en flujos de dos bits y se almacenan en los registros del chip del sensor actual. Allí, el contenido de los registros se vuelve a multiplexar y, a través de la interfaz en serie, ingresa al controlador.

En la segunda parte del artículo, examinaremos con más detalle los circuitos del controlador de memoria de burbuja.

4. Referencias

El autor encontró en los rincones más oscuros de la red y le guardó una gran cantidad de información técnica útil sobre la memoria en el CMD, su historia y otros aspectos relacionados:

1. https://old.computerra.ru/vision/621983/ - Dos recuerdos del ingeniero Bobek
2. https://old.computerra.ru/vision/622225/ - Dos recuerdos del ingeniero Bobek (parte 2)
3. http://www.wikiwand.com/en/Bubble_memory - Memoria de burbujas
4.https: //cloud.mail.ru/public/3qNi/33LMQg8Fn Adaptación de la memoria de burbuja magnética en un entorno estándar de microordenador
5. https://cloud.mail.ru/public/4YgN/ujdGWtAXf - Memoria de burbujas TIB 0203 de Texas Instruments
6. https://cloud.mail.ru/public/4PRV/5qC4vyjLa - Manual de componentes de memoria. Intel 1983.
7. https://cloud.mail.ru/public/4Mjv/41Xrp4Rii 7110 1-Megabit Bubble Memory