Speicher auf zylindrischen magnetischen Domänen. Teil 1. Arbeitsprinzip

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1. Geschichte

Blasenspeicher oder Speicher auf zylindrischen magnetischen Domänen ist ein nichtflüchtiger Speicher, der 1967 von Andrew Bobeck von Bell Labs entwickelt wurde. Studien haben gezeigt, dass sich in einkristallinen Dünnfilmen aus Ferrit und Granat kleine zylindrische magnetische Domänen bilden, wenn ein ausreichend starkes Magnetfeld senkrecht zur Filmoberfläche gerichtet ist. Durch Ändern des Magnetfelds können Sie diese Blasen bewegen. Solche Eigenschaften machen Magnetblasen zu einem idealen Werkzeug zum Aufbau einer sequentiellen Speicherung von Bits wie einem Schieberegister, bei dem das Vorhandensein oder Fehlen einer Blase an einer bestimmten Position Null oder einen einzelnen Bitwert bedeutet. Der Blasendurchmesser beträgt Zehntel Mikrometer, ein Chip kann Tausende von Datenbits speichern. Beispielsweise führte Texas Instruments im Frühjahr 1977 erstmals einen 92304-Bit-Chip auf den Markt. Dieser Speicher ist nicht flüchtig, wodurch er wie ein Magnetband oder eine Magnetplatte aussieht. Da er jedoch ein Festkörper ist und keine beweglichen Teile enthält, ist er zuverlässiger als ein Band oder eine Platte, erfordert keine Wartung und hat auch viel kleinere Abmessungen und ein viel geringeres Gewicht und kann in tragbaren Geräten verwendet werden.

Der ursprüngliche Erfinder des Blasenspeichers, Andrew Bobek, schlug eine „eindimensionale“ Version des Speichers in Form eines Fadens vor, auf den ein dünner Streifen aus ferromagnetischem Material gewickelt ist. Eine solche Erinnerung wurde "Twistor" genannt und sogar in Serie hergestellt, aber bald durch eine "zweidimensionale" Version ersetzt.

In [1-3] können Sie sich mit der Geschichte der Entstehung des Blasenspeichers vertraut machen.

2. Das Prinzip des Handelns

Hier bitte ich Sie, mir zu vergeben, ich bin kein Physiker, daher wird die Darstellung sehr ungefähr sein.

Einige Materialien (z. B. Gadolinium-Gallium-Granat) haben die Eigenschaft, nur in einer Richtung magnetisiert zu werden. Wenn entlang dieser Achse ein konstantes Magnetfeld angelegt wird, bilden die magnetisierten Bereiche so etwas wie Blasen, wie in der folgenden Abbildung gezeigt. Jede Blase hat nur einen Durchmesser von wenigen Mikrometern.

Angenommen, wir haben einen dünnen kristallinen Film aus einem solchen Material in der Größenordnung von 0,001 Zoll, der auf einem nichtmagnetischen Substrat, beispielsweise Glas, abgeschieden ist.


Es geht nur um die magischen Blasen. Bild links - es gibt kein Magnetfeld, Bild rechts - das Magnetfeld ist senkrecht zur Filmoberfläche gerichtet.

Wenn auf der Oberfläche eines Films aus einem solchen Material ein Muster aus magnetischem Material gebildet wird, beispielsweise Permalloy, eine Eisen-Nickel-Legierung, dann werden die Blasen zu den Elementen dieses Musters magnetisiert. Typischerweise werden T-förmige oder V-förmige Muster verwendet.

Eine einzelne Blase kann durch ein Magnetfeld von 100-200 Oersted gebildet werden, das senkrecht zum Magnetfilm angelegt wird und von einem Permanentmagneten erzeugt wird. Ein rotierendes Magnetfeld, das von zwei Spulen in XY-Richtung gebildet wird, ermöglicht es Ihnen, Domänenblasen wie folgt von einer magnetischen „Insel“ zur anderen zu bewegen in der Abbildung gezeigt. Nach einer vierfachen Änderung der Richtung des Magnetfelds bewegt sich die Domäne von einer Insel zur nächsten.



All dies ermöglicht es uns, das CMD-Gerät als Schieberegister zu betrachten. Wenn wir an einem Ende des Registers Blasen bilden und am anderen erkennen, können wir ein bestimmtes Muster von Blasen in einem Kreis starten und das System als Speichergerät verwenden, um zu bestimmten Zeitpunkten Bits zu lesen und zu schreiben.

Die Vor- und Nachteile des Speichers auf der CMD ergeben sich hier: Der Vorteil ist die Nichtflüchtigkeit (solange das durch die Permanentmagnete erzeugte senkrechte Feld angelegt wird, verschwinden die Blasen nicht und bewegen sich nicht von ihren Positionen), und der Nachteil ist die lange Zugriffszeit, weil Um auf ein beliebiges Bit zuzugreifen, müssen Sie das gesamte Schieberegister an die gewünschte Position scrollen. Je länger es dauert, desto mehr Zyklen werden benötigt.


Das Muster magnetischer Elemente auf einem Magnetband CMD.

Die Erzeugung einer magnetischen Domäne wird im Englischen "Keimbildung" genannt und besteht darin, dass für eine Zeit von etwa 100 ns ein Strom von mehreren hundert Milliampere an die Wicklung angelegt wird und ein Magnetfeld senkrecht zum Film und entgegengesetzt zum Feld des Permanentmagneten erzeugt wird. Dadurch entsteht eine magnetische „Blase“ - eine zylindrische magnetische Domäne im Film. Der Prozess ist leider stark temperaturabhängig. Der Schreibvorgang kann fehlschlagen, wenn sich keine Blase bildet oder sich mehrere Blasen bilden.

Zum Lesen von Daten aus dem Film werden verschiedene Techniken verwendet.

Ein zerstörungsfreies Leseverfahren besteht darin, ein schwaches Magnetfeld einer zylindrischen Domäne unter Verwendung eines magnetoresistiven Sensors zu erfassen.

Der zweite Weg ist destruktives Lesen. Die Blase wird auf eine spezielle Erzeugungs- / Erfassungsspur umgeleitet, in der die Blase durch Magnetisieren des Materials in Vorwärtsrichtung zerstört wird. Wenn das Material in die entgegengesetzte Richtung magnetisiert wurde, dh eine Blase vorhanden war, verursacht dies einen größeren Strom in der Spule, und dies wird von der elektronischen Schaltung erfasst. Danach muss die Blase auf einer speziellen Aufnahmespur regeneriert werden.


Wenn der Speicher jedoch als einzelnes kontinuierliches Array organisiert ist, weist er zwei Hauptnachteile auf. Erstens wird die Zugriffszeit sehr lang sein. Zweitens führt der einzige Defekt in der Kette zur vollständigen Inoperabilität des gesamten Geräts. Daher bilden sie einen Speicher, der in Form einer Hauptspur und vieler untergeordneter Spuren organisiert ist, wie in der Abbildung gezeigt.


Blasenspeicher mit einer durchgehenden Spur


Blasenspeicher mit Master / Slave-Spuren

Diese Speicherkonfiguration ermöglicht nicht nur eine erhebliche Reduzierung der Zugriffszeit, sondern auch die Freigabe von Speichergeräten, die eine Reihe fehlerhafter Spuren enthalten. Der Speichercontroller muss sie berücksichtigen und beim Lesen / Schreiben umgehen.

Die folgende Abbildung zeigt einen Abschnitt des "Chips" des Blasenspeichers.



Über das Wirkprinzip des Blasenspeichers können Sie auch in [4, 5] lesen.

3. Intel 7110

Intel 7110 - Modul des Blasenspeichers, MBM (Magnetblasenspeicher) mit einer Kapazität von 1 MB (1048576 Bit). Er ist es, der auf dem KDPV abgebildet ist. 1 Megabit ist eine Kapazität zum Speichern von Benutzerdaten unter Berücksichtigung redundanter Spuren. Die volle Kapazität beträgt 1310720 Bit. Das Gerät enthält 320 Schleifen mit einer Kapazität von jeweils 4096 Bit, von denen jedoch nur 256 für Benutzerdaten verwendet werden. Der Rest ist eine Reserve zum Ersetzen von "geschlagenen" Spuren und zum Speichern von redundantem Fehlerkorrekturcode. Das Gerät verfügt über die Architektur der "Hauptspur-Nebenspuren" (Major-Track-Minor-Loop). Informationen zu aktiven Tracks sind in einem separaten Boot-Track (Bootstrap-Loop) enthalten. Auf dem KDPV sehen Sie den Hexadezimalcode, der direkt auf dem Modul gedruckt ist. Dies ist eine Karte von "gebrochenen" Spuren, 80 hexadezimale Ziffern repräsentieren 320 Datenspuren, aktive werden durch ein einzelnes Bit dargestellt, inaktive Bits werden durch Null dargestellt.

Die Originaldokumentation zum Modul finden Sie in [7].

Das Gerät hat ein Gehäuse mit einer zweireihigen Anordnung von Klemmen und ist ohne Löten (in der Buchse) montiert.

Der Aufbau des Moduls ist in der Abbildung dargestellt:



Das Speicherarray ist in zwei "halbe Abschnitte" (halbe Abschnitte) unterteilt, von denen jeder in zwei "Viertel" (Quads) unterteilt ist, wobei jedes Viertel 80 untergeordnete Spuren aufweist. Das Modul enthält eine Platte mit magnetischem Material, die sich in zwei orthogonalen Wicklungen befindet, die ein rotierendes Magnetfeld erzeugen. Zu diesem Zweck werden den Wicklungen dreieckige Stromsignale zugeführt, die um 90 Grad relativ zueinander versetzt sind. Die Anordnung der Platte und der Wicklungen wird zwischen den Permanentmagneten platziert und in einem Magnetschirm angeordnet, der den von den Permanentmagneten erzeugten Magnetfluss schließt und das Gerät vor externen Magnetfeldern schützt. Die Platte ist in einem Winkel von 2,5 Grad angeordnet, wodurch ein kleines Vorspannungsfeld erzeugt wird, das entlang der Neigung gerichtet ist. Dieses Feld ist im Vergleich zum Spulenfeld vernachlässigbar und stört die Bewegung der Blasen während des Betriebs der Vorrichtung nicht, verschiebt die Blasen jedoch in feste Positionen relativ zu Permalloy-Elementen, wenn die Vorrichtung ausgeschaltet wird. Die starke senkrechte Komponente der Permanentmagnete unterstützt die Existenz von blasenmagnetischen Domänen.



Das Modul enthält folgende Knoten:

1. Tracks auswendig lernen. Direkt die Spuren von Permalloy-Elementen, die die Blasen halten und lenken.
2. Replikationsgenerator. Dient zur Replikation der Blase, die am Erzeugungsort ständig vorhanden ist.
3. Geben Sie Track- und Exchange-Knoten ein. Die erzeugten Blasen bewegen sich entlang der Eingabespur. Blasen bewegen sich zu einer von 80 untergeordneten Spuren.
4. Ausgabespur und Replikationsknoten. Blasen werden von Datenspuren subtrahiert, ohne sie zu brechen. Die Blase ist in zwei Teile geteilt und einer von ihnen wird an die Ausgangsspur gesendet.
5. Detektor Blasen von der Ausgangsspur fallen in den magnetoresistiven Detektor.
6. Boot-Track. Die Startspur enthält Informationen zu aktiven und inaktiven Datenspuren.

Im Folgenden werden wir diese Knoten genauer betrachten. Sie können auch die Beschreibung dieser Knoten in [6] lesen.

Blasenerzeugung

Um eine Blase zu erzeugen, befindet sich ganz am Anfang der Eingangsspur ein Leiter, der in Form einer winzigen Schleife gekrümmt ist. Es wird ein Stromimpuls angelegt, der in einem sehr kleinen Bereich ein stärkeres Magnetfeld erzeugt als das Feld der Permanentmagnete. Der Impuls erzeugt an dieser Stelle eine Blase, die konstant bleibt, von einem konstanten Magnetfeld getragen wird und unter der Wirkung eines rotierenden Magnetfelds entlang des Permalloy-Elements zirkuliert. Wenn wir eine Einheit in den Speicher schreiben müssen, geben wir der leitenden Schleife einen kurzen Impuls, und als Ergebnis werden zwei Blasen geboren (im Bild als Bubble Split Seed angegeben). Eine der Blasen rauscht durch ein rotierendes Feld entlang der Permalloy-Spur, die zweite bleibt an Ort und Stelle und nimmt schnell ihre ursprüngliche Größe an. Dann bewegt es sich zu einer der untergeordneten Spuren und wechselt die Position mit einer Blase, die darin zirkuliert. Er erreicht seinerseits das Ende der Eingabespur und verschwindet.

Blasentausch

Der Blasenaustausch erfolgt, wenn ein rechteckiger Stromimpuls an den entsprechenden Leiter angelegt wird. Es gibt keine Trennung der Blase in zwei Teile.

Daten lesen

Daten werden durch Replizieren an die Ausgabespur gesendet und zirkulieren nach dem Lesen in ihrer Spur weiter. Somit ist das zerstörungsfreie Leseverfahren in dieser Vorrichtung implementiert. Zur Replikation wird die Blase unter das längliche Permalloy-Element gerichtet, unter dem sie sich erstreckt. Oben befindet sich auch ein schleifenförmiger Leiter. Wenn ein Stromimpuls an die Schleife angelegt wird, wird die Blase in zwei Teile geteilt. Der Stromimpuls besteht aus einem kurzen Abschnitt mit einer großen Stromstärke, um die Blase in zwei Teile zu teilen, und einem längeren Abschnitt mit einer geringeren Stromstärke, um die Blase auf die Ausgangsspur zu lenken.

Am Ende der Austrittsspur befindet sich ein Blasendetektor, eine magnetoresistive Brücke aus Permalloy-Elementen, die eine lange Kette bilden. Wenn eine Magnetblase unter ein Permalloy-Element fällt, ändert sich ihr Widerstand und am Ausgang der Brücke tritt eine Potentialdifferenz von mehreren Millivolt auf. Die Form der Permalloy-Elemente wird so gewählt, dass sich die Blase entlang dieser bewegt. Am Ende fällt sie auf einen speziellen "Schutz" -Reifen und verschwindet.

Redundanz

Das Gerät enthält 320 Spuren mit jeweils 4096 Bit. Davon sind 272 aktiv, 48 sind frei und inaktiv.

Boot-Schleife

Das Gerät enthält 320 Datenspuren, von denen 256 zum Speichern von Benutzerdaten vorgesehen sind. Der Rest kann fehlerhaft sein oder als Ersatz dienen, um die fehlerhaften zu ersetzen. Eine zusätzliche Spur enthält Informationen zur Verwendung von Datenspuren, 12 Bit pro Spur. Wenn das System mit Strom versorgt wird, muss es initialisiert werden. Während des Initialisierungsprozesses muss der Controller die Startspur lesen und die Informationen daraus in das spezielle Register des Formatierungschips / Stromsensors schreiben. Dann verwendet der Controller nur aktive Spuren und inaktive werden ignoriert und sie werden nicht aufgezeichnet.

Data Warehouse - Struktur

Aus Sicht des Benutzers werden Daten auf 2048 Seiten mit jeweils 512 Bit gespeichert. In jeder Gerätehälfte sind 256 Datenbytes, 14 Bits des Fehlerkorrekturcodes und 2 nicht verwendete Bits gespeichert.

Fehlerkorrektur

Fehler können mithilfe eines Stromsensorchips erkannt und korrigiert werden, der einen 14-Bit-Code-Decoder enthält, der einen einzelnen Burst-Fehler in jedem Block von 270 Bit (einschließlich des Codes selbst) korrigiert. Der Code wird an das Ende jedes 256-Bit-Blocks angehängt. Der Korrekturcode kann verwendet oder nicht verwendet werden. Auf Wunsch des Benutzers kann die Codeprüfung in der Steuerung ein- oder ausgeschaltet werden. Wenn der Code nicht verwendet wird, können alle 270 Bits für Benutzerdaten verwendet werden.

Zugriffszeit

Das Magnetfeld dreht sich mit einer Frequenz von 50 kHz. Die durchschnittliche Zugriffszeit auf das erste Bit der ersten Seite beträgt 41 ms. Dies ist die Hälfte der Zeit, die erforderlich ist, um den Zyklus auf der Spur abzuschließen, plus der Zeit, die zum Verlassen der Spur benötigt wird.

320 aktive und Ersatzspuren sind in vier Teile mit jeweils 80 Spuren unterteilt. Eine solche Organisation reduziert die Zugriffszeit. Viertel werden paarweise angesprochen: Jedes Viertelpaar enthält gerade bzw. ungerade Bits des Wortes. Das Gerät enthält vier Eingangsspuren mit vier Anfangsblasen und vier Ausgangsspuren. Die Ausgangsspuren verwenden zwei Detektoren, die so organisiert sind, dass zwei Blasen von zwei Spuren gleichzeitig niemals in einen Detektor fallen. Somit werden vier Blasenströme gemultiplext und in zwei Bitströme umgewandelt und in den aktuellen Sensorchipregistern gespeichert. Dort wird der Inhalt der Register erneut gemultiplext und gelangt über die serielle Schnittstelle in die Steuerung.

Im zweiten Teil des Artikels werden wir die Schaltung des Blasenspeicher-Controllers genauer untersuchen.

4. Referenzen

Der Autor hat in den dunkelsten Ecken des Netzwerks eine Fülle nützlicher technischer Informationen zum Speicher des CMD, seiner Geschichte und anderen verwandten Aspekten gefunden und für Sie gespeichert:

1. https://old.computerra.ru/vision/621983/ - Zwei Erinnerungen an Ingenieur Bobek
2. https://old.computerra.ru/vision/622225/ - Zwei Erinnerungen an Ingenieur Bobek (Teil 2)
3. http://www.wikiwand.com/de/Bubble_memory - Blasenspeicher
4.https: //cloud.mail.ru/public/3qNi/33LMQg8Fn Anpassung des Magnetblasenspeichers in einer Standard-Mikrocomputerumgebung
5. https://cloud.mail.ru/public/4YgN/ujdGWtAXf - Texas Instruments TIB 0203 Bubble Memory
6. https://cloud.mail.ru/public/4PRV/5qC4vyjLa - Handbuch für Speicherkomponenten. Intel 1983.
7. https://cloud.mail.ru/public/4Mjv/41Xrp4Rii 7110 1-Megabit-Blasenspeicher