Memori pada domain magnetik silindris. Bagian 1. Prinsip kerja

Foto dari koleksi penulis

1. Sejarah

Memori gelembung, atau memori pada domain magnetik silindris, adalah memori non-volatile yang dikembangkan oleh Bell Labs pada tahun 1967 oleh Andrew Bobeck. Penelitian telah menunjukkan bahwa domain magnetik silinder kecil terbentuk dalam film tipis kristal tunggal ferit dan garnet, ketika medan magnet yang cukup kuat diarahkan tegak lurus ke permukaan film. Dengan mengubah medan magnet, Anda dapat memindahkan gelembung-gelembung ini. Properti seperti itu membuat gelembung magnetik alat yang ideal untuk membangun penyimpanan bit berurutan, seperti register geser, di mana ada atau tidaknya gelembung pada posisi tertentu berarti nol atau nilai bit tunggal. Diameter gelembung adalah sepersepuluh mikron, satu chip dapat menyimpan ribuan bit data. Sebagai contoh, pada musim semi 1977, Texas Instruments pertama kali memperkenalkan chip 92304-bit di pasar. Memori ini non-volatile, yang membuatnya terlihat seperti pita magnetik atau cakram, tetapi karena padat dan tidak mengandung bagian yang bergerak, ia memiliki keandalan yang lebih besar daripada pita atau cakram, tidak memerlukan perawatan, dan juga memiliki dimensi dan bobot yang jauh lebih kecil , dan dapat digunakan dalam perangkat portabel.

Penemu memori gelembung yang asli, Andrew Bobek, mengusulkan versi memori "satu dimensi", dalam bentuk seutas benang di mana potongan tipis bahan feromagnetik terluka. Memori semacam itu disebut "twistor", dan bahkan diproduksi secara seri, tetapi segera digantikan oleh versi "dua dimensi".

Anda dapat membiasakan diri dengan sejarah penciptaan memori gelembung di [1-3].

2. Prinsip tindakan

Di sini saya meminta Anda untuk memaafkan saya, saya bukan seorang ahli fisika, jadi presentasi akan sangat perkiraan.

Beberapa bahan (misalnya, gadolinium-galium garnet) memiliki sifat dimagnetisasi hanya dalam satu arah, dan jika medan magnet konstan diterapkan di sepanjang sumbu ini, daerah yang bermagnet akan membentuk sesuatu seperti gelembung, seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini. Setiap gelembung hanya berdiameter beberapa mikron.

Misalkan kita memiliki film kristal tipis, pada urutan 0,001 inci, dari bahan semacam itu yang diendapkan pada non-magnetik, misalnya kaca, substrat.


Ini semua tentang gelembung ajaib. Gambar di sebelah kiri - tidak ada medan magnet, gambar di sebelah kanan - medan magnet diarahkan tegak lurus ke permukaan film.

Jika pola bahan magnetik, misalnya, permalloy, paduan besi-nikel, terbentuk pada permukaan film dari bahan semacam itu, maka gelembung akan bermagnet ke elemen pola ini. Biasanya yang digunakan adalah pola berbentuk T atau V.

Sebuah gelembung tunggal dapat dibentuk oleh medan magnet 100-200 Oersted, yang diterapkan tegak lurus terhadap film magnetik dan dibuat oleh magnet permanen, dan medan magnet berputar yang dibentuk oleh dua kumparan dalam arah XY memungkinkan Anda untuk memindahkan gelembung domain dari satu "pulau" magnet ke yang lain, seperti ini ditunjukkan pada gambar. Setelah perubahan empat kali lipat dalam arah medan magnet, domain bergerak dari satu pulau ke pulau lainnya.



Semua ini memungkinkan kita untuk mempertimbangkan perangkat CMD sebagai register geser. Jika kita membentuk gelembung di salah satu ujung register dan mendeteksinya di ujung lainnya, maka kita dapat meluncurkan pola gelembung tertentu dalam lingkaran dan menggunakan sistem sebagai perangkat penyimpanan, membaca dan menulis bit pada titik waktu tertentu.

Keuntungan dan kerugian memori pada CMD mengikuti dari sini: keuntungannya adalah tidak mudah berubah (selama bidang tegak lurus yang dibuat oleh magnet permanen diterapkan, gelembung tidak akan hilang di mana pun dan tidak akan bergerak dari posisi mereka), dan kerugiannya adalah waktu akses yang lama, karena Untuk mengakses bit sewenang-wenang, Anda perlu menggulir seluruh daftar shift ke posisi yang diinginkan, dan semakin lama, semakin banyak siklus yang dibutuhkan.


Pola elemen magnetik pada pita magnetik CMD.

Penciptaan domain magnetik disebut dalam bahasa Inggris "nukleasi", dan terdiri dalam kenyataan bahwa arus beberapa ratus miliamp diterapkan pada belitan untuk waktu sekitar 100 ns, dan medan magnet dibuat tegak lurus terhadap film dan berlawanan dengan bidang magnet permanen. Ini menciptakan "gelembung" magnetik - domain magnetik silindris dalam film. Prosesnya, sayangnya, sangat tergantung pada suhu, operasi penulisan mungkin gagal jika gelembung tidak terbentuk, atau beberapa gelembung terbentuk.

Beberapa teknik digunakan untuk membaca data dari film.

Salah satu metode pembacaan non-destruktif adalah untuk mendeteksi medan magnet yang lemah dari domain silinder menggunakan sensor magnetoresistif.

Cara kedua adalah membaca yang merusak. Gelembung dialihkan ke jalur generasi / deteksi khusus di mana gelembung dihancurkan dengan cara memagnetisasi material ke arah depan. Jika material itu bermagnet dalam arah yang berlawanan, yaitu, ada gelembung, ini akan menyebabkan arus yang lebih besar di koil, dan ini terdeteksi oleh sirkuit elektronik. Setelah itu, gelembung harus dibuat ulang pada trek rekaman khusus.


Namun, jika memori disusun sebagai array kontinu tunggal, maka ia akan memiliki dua kelemahan utama. Pertama, waktu akses akan sangat lama. Kedua, satu-satunya cacat dalam rantai akan menyebabkan seluruh perangkat tidak dapat beroperasi sepenuhnya. Oleh karena itu, mereka membuat memori terorganisir dalam bentuk satu trek utama, dan banyak trek bawahan, seperti yang ditunjukkan pada gambar.


Memori gelembung dengan satu lagu kontinu


Memori gelembung dengan trek master / slave

Konfigurasi memori ini memungkinkan tidak hanya mengurangi waktu akses secara signifikan, tetapi juga memungkinkan pelepasan perangkat memori yang berisi sejumlah trek yang rusak. Pengontrol memori harus memperhitungkannya dan memintasnya selama operasi baca / tulis.

Gambar di bawah ini menunjukkan bagian "chip" dari memori gelembung.



Anda juga dapat membaca tentang prinsip aksi memori gelembung dalam [4, 5].

3. Intel 7110

Intel 7110 - modul memori gelembung, MBM (magnetic-bubble memory) dengan kapasitas 1 MB (1048576 bit). Dialah yang digambarkan di KDPV. 1 megabit adalah kapasitas untuk menyimpan data pengguna, dengan mempertimbangkan trek redundan akun, kapasitas penuhnya adalah 1310720 bit. Perangkat ini berisi 320 loop dengan kapasitas masing-masing 4096 bit, tetapi hanya 256 di antaranya yang digunakan untuk data pengguna, sisanya adalah cadangan untuk mengganti trek "dipukuli" dan untuk menyimpan kode koreksi kesalahan yang berlebihan. Perangkat ini memiliki arsitektur "trek utama-bawahan trek" (trek utama-loop kecil). Informasi tentang trek aktif terkandung dalam trek boot terpisah (loop bootstrap). Pada KDPV Anda dapat melihat kode heksadesimal yang dicetak langsung pada modul. Ini adalah peta trek "rusak", 80 digit heksadesimal mewakili 320 trek data, yang aktif diwakili oleh satu bit, bit tidak aktif diwakili oleh nol.

Anda dapat membaca dokumentasi asli untuk modul dalam [7].

Perangkat memiliki kasing dengan susunan terminal dua baris dan dipasang tanpa solder (di dalam soket).

Struktur modul ditunjukkan pada gambar:



Array memori dibagi menjadi dua "setengah bagian" (setengah bagian), yang masing-masing dibagi menjadi dua "perempat" (paha depan), setiap kuartal memiliki 80 trek bawahan. Modul ini berisi pelat dengan bahan magnetik yang terletak di dalam dua belitan ortogonal yang menciptakan medan magnet berputar. Untuk melakukan ini, sinyal arus berbentuk segitiga dipasok ke belitan, saling mengimbangi 90 derajat satu sama lain. Perakitan pelat dan belitan ditempatkan di antara magnet permanen dan ditempatkan di layar magnetik, yang menutup fluks magnet yang dihasilkan oleh magnet permanen dan melindungi perangkat dari medan magnet eksternal. Pelat ditempatkan pada sudut 2,5 derajat, yang menciptakan medan bias kecil yang diarahkan sepanjang kemiringan. Bidang ini dapat diabaikan dibandingkan dengan bidang gulungan, dan tidak mengganggu pergerakan gelembung selama pengoperasian perangkat, tetapi menggeser gelembung ke posisi tetap relatif terhadap elemen permalloy saat perangkat dimatikan. Komponen tegak lurus yang kuat dari magnet permanen mendukung keberadaan domain gelembung magnet.



Modul ini berisi simpul-simpul berikut:

1. Menghafal trek. Langsung trek tersebut dari elemen permalloy yang menahan dan mengarahkan gelembung.
2. Generator replikasi. Berfungsi untuk replikasi gelembung, yang terus-menerus hadir di situs generasi.
3. Input track dan pertukaran node. Gelembung yang dihasilkan bergerak di sepanjang jalur input. Bubbles pindah ke salah satu dari 80 trek bawahan.
4. Output track dan replikasi node. Gelembung dikurangi dari trek data tanpa memutusnya. Gelembung dibagi menjadi dua bagian, dan salah satunya dikirim ke trek keluaran.
5. Detektor Gelembung dari jalur keluaran jatuh ke detektor magnetoresistif.
6. Boot track. Trek boot berisi informasi tentang trek data yang aktif dan tidak aktif.

Di bawah ini kami akan mempertimbangkan node-node ini secara lebih rinci. Anda juga dapat membaca deskripsi dari simpul-simpul ini di [6].

Generasi gelembung

Untuk menghasilkan gelembung, di bagian paling awal jalur input ada konduktor melengkung dalam bentuk lingkaran kecil. Denyut nadi saat ini diterapkan untuk itu, yang menciptakan medan magnet yang lebih kuat di wilayah yang sangat kecil daripada medan magnet permanen. Denyut nadi menciptakan gelembung di tempat ini, yang tetap konstan, didukung oleh medan magnet konstan, dan bersirkulasi di sepanjang elemen permalloy di bawah aksi medan magnet yang berputar. Jika kita perlu menulis satu unit ke memori, kita memberikan pulsa pendek ke loop konduktor, dan sebagai hasilnya dua gelembung lahir (ditunjukkan dalam gambar sebagai Bubble split seed). Salah satu gelembung melesat dengan bidang berputar di sepanjang jalur permalloy, yang kedua tetap di tempatnya dan dengan cepat mendapatkan ukuran aslinya. Kemudian bergerak ke salah satu trek bawahan, dan mengubah tempat-tempat dengan gelembung yang beredar di dalamnya. Dia, pada gilirannya, mencapai akhir jalur input dan menghilang.

Pertukaran gelembung

Pertukaran gelembung terjadi ketika pulsa arus persegi diterapkan ke konduktor yang sesuai. Tidak ada pemisahan gelembung menjadi dua bagian.

Membaca data

Data dikirim ke trek keluaran dengan menggandakannya, dan terus beredar di jalurnya setelah membaca. Dengan demikian, metode membaca yang tidak merusak diterapkan dalam perangkat ini. Untuk replikasi, gelembung diarahkan di bawah elemen permalloy oblong, di mana ia membentang. Ada juga konduktor berbentuk lingkaran di atas, jika pulsa saat ini diterapkan ke loop, gelembung akan terpecah menjadi dua bagian. Pulsa saat ini terdiri dari bagian pendek dengan kekuatan arus yang besar untuk membagi gelembung menjadi dua bagian, dan bagian yang lebih panjang dengan kekuatan arus yang lebih rendah, untuk mengarahkan gelembung ke jalur keluaran.

Di ujung jalur keluar adalah detektor gelembung, jembatan magnetoresistif yang terbuat dari elemen permalloy yang membentuk rantai panjang. Ketika gelembung magnetik jatuh di bawah elemen permalloy, ketahanannya berubah, dan perbedaan potensial beberapa milivolt muncul pada output jembatan. Bentuk elemen permalloy dipilih sehingga gelembung bergerak sepanjang mereka, pada akhirnya jatuh pada ban "penjaga" khusus dan menghilang.

Redundansi

Perangkat ini berisi 320 lagu, masing-masing 4096 bit. Dari jumlah tersebut, 272 aktif, 48 cadangan, tidak aktif.

Boot Loop

Perangkat berisi 320 trek data, 256 di antaranya dimaksudkan untuk menyimpan data pengguna, sisanya mungkin tidak berfungsi atau dapat berfungsi sebagai cadangan untuk menggantikan yang tidak berfungsi. Satu trek tambahan berisi informasi tentang penggunaan trek data, 12 bit per trek. Ketika daya disuplai ke sistem, itu harus diinisialisasi. Selama proses inisialisasi, pengontrol harus membaca trek boot, dan menulis informasi darinya ke register khusus chip pemformat / sensor arus. Kemudian pengontrol hanya akan menggunakan trek aktif, dan tidak aktif akan diabaikan, dan mereka tidak akan direkam.

Gudang Data - Struktur

Dari sudut pandang pengguna, data disimpan dalam 2048 halaman masing-masing 512 bit. 256 byte data, 14 bit kode koreksi kesalahan dan 2 bit yang tidak digunakan disimpan di setiap setengah perangkat.

Koreksi kesalahan

Kesalahan dapat dideteksi dan diperbaiki menggunakan chip sensor saat ini yang berisi decoder kode 14-bit yang mengoreksi kesalahan burst tunggal di setiap blok 270 bit (termasuk kode itu sendiri). Kode ditambahkan ke akhir setiap blok 256-bit. Kode koreksi dapat digunakan atau tidak digunakan, atas permintaan pengguna, pemeriksaan kode dapat dihidupkan atau dimatikan dalam pengontrol. Jika kode tidak digunakan, semua 270 bit dapat digunakan untuk data pengguna.

Waktu akses

Medan magnet berputar pada frekuensi 50 kHz. Waktu akses rata-rata ke bit pertama dari halaman pertama adalah 41 ms, yang merupakan setengah dari waktu yang dibutuhkan untuk menyelesaikan siklus di trek ditambah waktu yang diperlukan untuk keluar dari trek.

320 trek aktif dan cadangan dibagi menjadi empat bagian dengan masing-masing 80 trek. Organisasi semacam itu mengurangi waktu akses. Perempat dibahas secara berpasangan: masing-masing pasangan perempat masing-masing berisi bit genap dan ganjil. Perangkat ini berisi empat trek input dengan empat gelembung awal, dan empat trek output. Jalur keluaran menggunakan dua detektor, mereka diatur sedemikian rupa sehingga dua gelembung dari dua trek pada saat yang sama tidak pernah jatuh ke dalam satu detektor. Dengan demikian, empat aliran gelembung digandakan dan diubah menjadi dua aliran bit dan disimpan dalam register chip sensor saat ini. Di sana, isi register sekali lagi multiplexing dan melalui antarmuka serial memasuki controller.

Pada bagian kedua artikel ini, kita akan memeriksa lebih detail sirkuit pengontrol memori gelembung.

4. Referensi

Penulis menemukan di sudut-sudut paling gelap dari jaringan dan menyimpan banyak informasi teknis yang berguna tentang memori pada CMD, sejarahnya dan aspek terkait lainnya:

1. https://old.computerra.ru/vision/621983/ - Dua kenangan tentang insinyur Bobek
2. https://old.computerra.ru/vision/622225/ - Dua kenangan tentang insinyur Bobek (bagian 2)
3. http://www.wikiwand.com/en/Bubble_memory - Memori gelembung
4.https: //cloud.mail.ru/public/3qNi/33LMQg8Fn Adaptasi Memori Gelembung Magnetik dalam Lingkungan Komputer Mikro Standar
5. https://cloud.mail.ru/public/4YgN/ujdGWtAXf - Texas Instruments TIB 0203 Bubble Memory
6. https://cloud.mail.ru/public/4PRV/5qC4vyjLa - Buku Pegangan Komponen Memori. Intel 1983.
7. https://cloud.mail.ru/public/4Mjv/41Xrp4Rii 7110 1-Megabit Bubble Memory