Пузырьковая память — это тип энергонезависимой компьютерной памяти , которая использует тонкую пленку магнитного материала для хранения небольших намагниченных областей, известных как пузырьки или домены , каждая из которых хранит один бит данных. Материал организован так, чтобы сформировать ряд параллельных дорожек, по которым пузырьки могут перемещаться под действием внешнего магнитного поля. Пузырьки считываются путем перемещения их к краю материала, где они могут быть считаны обычным магнитным датчиком , а затем перезаписаны на дальнем краю, чтобы поддерживать цикличность памяти через материал. В работе пузырьковая память похожа на системы памяти с линией задержки .
Bubble memory начиналась как многообещающая технология в 1970-х годах, предлагая производительность, близкую к основной памяти , плотность памяти, близкую к жестким дискам , и отсутствие движущихся частей. Это заставило многих считать ее претендентом на «универсальную память», которую можно было бы использовать для всех нужд хранения. Внедрение значительно более быстрых полупроводниковых чипов памяти в начале 1970-х годов отодвинуло bubble в медленный конец шкалы, и ее начали рассматривать в основном как замену дискам. Не менее значительные улучшения в емкости жестких дисков в начале 1980-х годов сделали ее неконкурентоспособной по цене для массового хранения. [1]
Пузырьковая память использовалась некоторое время в 1970-х и 1980-х годах в приложениях, где ее неподвижная природа была желательна для обслуживания или защиты от ударов. Появление флэш-памяти и подобных технологий сделало даже эту нишу неконкурентоспособной, и пузырь полностью исчез к концу 1980-х годов.
Пузырьковая память в значительной степени является детищем одного человека, Эндрю Бобека . Бобек работал над многими видами проектов, связанных с магнетизмом, в течение 1960-х годов, и два из его проектов поставили его в особенно выгодное положение для разработки пузырьковой памяти. Первый был разработкой первой системы памяти на магнитном сердечнике , управляемой контроллером на основе транзистора , а второй был разработкой твисторной памяти .
Twistor по сути является версией памяти на сердечниках , которая заменяет «сердечники» на кусок магнитной ленты . Главным преимуществом twistor является возможность его сборки автоматизированными машинами, в отличие от core, который собирался почти полностью вручную. AT&T возлагала большие надежды на twistor, полагая, что он значительно снизит стоимость компьютерной памяти и выведет их на лидирующие позиции в отрасли. Вместо этого в начале 1970-х годов на рынке появилась память DRAM , которая быстро заменила все предыдущие системы памяти с произвольным доступом . Twistor в конечном итоге использовался только в нескольких приложениях, многие из которых были собственными компьютерами AT&T.
Один интересный побочный эффект концепции твистора был замечен в производстве: при определенных условиях пропускание тока через один из электрических проводов, проходящих внутри ленты, приводило к перемещению магнитных полей на ленте в направлении тока. При правильном использовании это позволяло проталкивать сохраненные биты вниз по ленте и выталкивать их с конца, образуя тип памяти с линией задержки , но такой, где распространение полей находилось под контролем компьютера, в отличие от автоматического продвижения с заданной скоростью, определяемой используемыми материалами. Однако такая система имела мало преимуществ перед твистором, особенно потому, что она не допускала случайного доступа.
В 1967 году Бобек присоединился к команде Bell Labs и начал работу над улучшением твистора . Плотность памяти твистора зависела от размера проводов; длина любого провода определяла, сколько битов он содержал, и много таких проводов укладывались рядом, чтобы создать большую систему памяти.
Обычные магнитные материалы, такие как магнитная лента, используемая в твисторе, позволяли размещать магнитный сигнал в любом месте и перемещать его в любом направлении. Пол Чарльз Михаэлис, работая с тонкими магнитными пленками из пермаллоя , обнаружил, что можно перемещать магнитные сигналы в ортогональных направлениях внутри пленки. Эта основополагающая работа привела к подаче патентной заявки. [2] Устройство памяти и метод распространения были описаны в докладе, представленном на 13-й ежегодной конференции по магнетизму и магнитным материалам в Бостоне, Массачусетс, 15 сентября 1967 года. Устройство использовало анизотропные тонкие магнитные пленки, которые требовали различных комбинаций магнитных импульсов для ортогональных направлений распространения. Скорость распространения также зависела от жестких и легких магнитных осей. Это различие предполагало, что изотропная магнитная среда была бы желательной.
Это привело к возможности создания системы памяти, похожей на концепцию твистора с движущимися доменами, но с использованием одного блока магнитного материала вместо множества твисторных проводов. Начав работу по расширению этой концепции с использованием ортоферрита , Бобек заметил дополнительный интересный эффект. С магнитными ленточными материалами, используемыми в твисторе, данные приходилось хранить на относительно больших участках, известных как домены . Попытки намагнитить меньшие области терпели неудачу. С ортоферритом, если заплатка была записана, а затем магнитное поле было приложено ко всему материалу, заплатка сжималась в крошечный круг, который он назвал пузырем . Эти пузырьки были намного меньше, чем домены обычных носителей, таких как лента, что предполагало возможность очень высокой плотности площади.
В Bell Labs было сделано пять важных открытий:
Система пузырьков не может быть описана каким-либо одним изобретением, но в терминах вышеуказанных открытий. Энди Бобек был единственным первооткрывателем (4) и (5) и сооткрывателем (2) и (3); (1) было выполнено П. Михаэлисом в группе П. Бонихарда. В какой-то момент над проектом в Bell Labs работали более 60 ученых, многие из которых заслужили признание в этой области. Например, в сентябре 1974 года Х. Э. Д. Сковил , П. К. Михаэлис и Бобек были награждены премией IEEE Morris N. Liebmann Memorial Award от IEEE со следующей цитатой: За концепцию и разработку однослойных магнитных доменов (магнитных пузырьков) и за признание их важности для технологии памяти.
Потребовалось некоторое время, чтобы найти идеальный материал, но было обнаружено, что некоторые гранаты обладают правильными свойствами. Пузырьки легко образовывались в материале и могли довольно легко проталкиваться по нему. Следующая проблема заключалась в том, чтобы заставить их двигаться в нужное место, где их можно было бы считать обратно: твистор был проводом, и было только одно место, куда можно было бы пойти, но в 2D-листе все было бы не так просто. В отличие от первоначальных экспериментов, гранат не ограничивал пузырьки движением только в одном направлении, но его пузырьковые свойства были слишком выгодными, чтобы их игнорировать.
Решением было отпечатать узор из крошечных магнитных стержней на поверхности граната, называемых элементами распространения. При приложении небольшого магнитного поля они намагничивались, и пузырьки «прилипали» к одному концу. Затем, при изменении полярности поля они притягивались к дальнему концу, двигаясь вниз по поверхности. Еще одно изменение полярности выталкивало их с конца стержня на следующий стержень в линии и так далее, контролируя или направляя направление движения пузырьков. Т-образные стержни/направляющие, имеющие форму букв, использовались в ранних конструкциях пузырьковой памяти, но позже были заменены другими формами, такими как асимметричные шевроны. [3] На практике магнитное поле вращается и обеспечивается парой катушек, которые создают вращающееся магнитное поле по осям X и Z, именно это вращающееся магнитное поле перемещает пузырьки в памяти.
Аморфные магнитные пленки также рассматривались, поскольку они имели больший потенциал для улучшения пузырьковой памяти по сравнению с гранатовыми магнитными пленками, однако существующий опыт с гранатовыми пленками означал, что они не закрепились. Гранатовые пленки имеют такие же или лучшие магнитные свойства, чем ортоферритовые пленки, которые считались менее перспективными в сравнении. Гранатовые материалы (как пленки поверх подложки) могли бы обеспечить более высокие скорости распространения пузырьков (скорость пузырьков), чем ортоферриты. Твердые пузырьки медленнее и более неустойчивы, чем обычные пузырьки, проблема, которая часто преодолевается ионной имплантацией гранатовой магнитной пленки неоном, [4] а также может быть достигнута путем покрытия гранатовой магнитной пленки пермаллоем. [5]
Устройство памяти формируется путем выстраивания в ряд крошечных электромагнитов на одном конце с детекторами на другом конце. Пузырьки, записанные на них, будут медленно проталкиваться на другой, образуя лист твисторов, выстроенных рядом друг с другом. Присоединение выхода детектора обратно к электромагнитам превращает лист в ряд петель, которые могут хранить информацию столько, сколько необходимо. [3]
Пузырьковая память — это энергонезависимая память . Даже при отключении питания пузырьки оставались, как и узоры на поверхности дисководов . А еще лучше, устройства пузырьковой памяти не нуждались в движущихся частях: поле, которое толкало пузырьки вдоль поверхности, создавалось электрически, тогда как такие носители, как лента и дисководы, требовали механического движения. Наконец, из-за небольшого размера пузырьков плотность была в теории намного выше, чем у существующих магнитных запоминающих устройств. Единственным недостатком была производительность: пузырьки должны были циклически перемещаться к дальнему концу листа, прежде чем их можно было считать.
Устройство пузырьковой памяти состоит из корпуса, в котором размещена печатная плата с соединениями с одним или несколькими чипами пузырьковой памяти, которые могут быть полупрозрачными. Область вокруг чипов на печатной плате окружена двумя обмотками из медной проволоки или другого электропроводящего материала, которые в основном обертывают область, оставляя некоторое пространство для прохождения печатной платы через обмотки и соединения с чипами. Обмотки намотаны в направлениях, противоположных друг другу, например, одна обмотка имеет провода, ориентированные вдоль оси X, а другая обмотка имеет провода вдоль оси Z. Обмотки, в свою очередь, окружены двумя постоянными магнитами, один под и другой над обмотками. Это образует узел, который размещается внутри корпуса, который действует как магнитный экран и образует магнитный обратный путь для магнитного поля от магнитов. Постоянные магниты имеют решающее значение; они создают статическое (постоянный ток) магнитное поле, используемое в качестве поля смещения, которое позволяет сохранять содержимое памяти, другими словами, они позволяют пузырьковой памяти быть энергонезависимой. Если магниты убрать, все пузырьки исчезнут, и, таким образом, все содержимое будет удалено. Обмотки создают вращающееся магнитное поле, параллельное ориентации пузырьковой памяти, с частотой около 100–200 кГц. Это будет перемещать или приводить в движение пузырьки в магнитной пленке в некоторой круговой манере, направляемые или сдерживаемые элементами распространения. Например, вращающееся магнитное поле может заставить пузырьки постоянно циркулировать вокруг петель, которые могут быть удлиненными и определяться расположением направляющих элементов. [3] [6]
Чтобы позволить пузырькам перемещаться вокруг пузырьковых чипов и направлять их через чип, чипы имеют своего рода рисунок из ферромагнитного металла, который может включать, например, асимметричные шевроны. [3] Например, пузырьки могут перемещаться по краям шевронов. Рисунок можно назвать элементами распространения, поскольку он позволяет пузырькам перемещаться или распространяться по нему. Он определяет пути для пузырьков, которые будут храниться и извлекаться для считывания, а вращающееся магнитное поле перемещает пузырьки по этим путям. Для пузырьковой памяти в качестве подложки в чипах используется такой материал, как гадолиний-галлиевый гранат. [3] Поверх подложки находится магнитная пленка (пузырьковый хост или пузырьковая пленка/слой) [5] [4], такая как гранат, содержащий гадолиний [5] или, чаще, монокристаллический замещенный иттрий-железный гранат [4], которая удерживает магнитные пузырьки, которая выращивается эпитаксиально с помощью жидкофазной эпитаксии с потоком оксида свинца в качестве жидкости с оксидом иттрия и другими оксидами, а затем пленка легируется ионной имплантацией одного или нескольких элементов, чтобы уменьшить нежелательные характеристики. [5] [3] Процесс эпитаксии будет осуществляться с помощью платинового тигля и держателя пластины. [4] Шевроны и другие детали строятся поверх пленки. [3] Элементы распространения, включая шевроны, могут быть изготовлены из такого материала, как никель-железный пермаллой. Материалы в пузырьковой памяти выбираются в основном по их магнитным свойствам. [3] Гадолиний-галлиевый гранат используется в качестве подложки, поскольку он может поддерживать эпитаксиальный рост магнитных гранатовых пленок и является немагнитным, [4] хотя в некоторых пузырьковых запоминающих устройствах вместо него использовались никель-кобальтовые подложки.
Использование элементов распространения, сформированных методом ионной имплантации вместо пермаллоя, было предложено для увеличения емкости пузырьковой памяти до 16 Мбит/см 2 . [4]
.jpg/1280px-TI_TIBS0004_bubble_memory_device_(18997455749).jpg)
.jpg/1280px-Helix_Labs_bubble_memory_board_for_IBM_PC,_component_side_(19227474936).jpg)
.jpg/1280px-Bubble_memory_card_for_Apple_II,_component_side_(19146005122).jpg)
Команда Бобека вскоре получила квадратную память размером 1 см (0,39 дюйма), которая хранила 4096 бит, столько же, сколько стандартная на тот момент плоскость сердечниковой памяти . Это вызвало значительный интерес в отрасли. Пузырьковая память могла не только заменить сердечники, но и, казалось, могла заменить ленты и диски. Фактически, казалось, что пузырьковая память вскоре станет единственной формой памяти, используемой в подавляющем большинстве приложений, а рынок высокопроизводительных устройств был единственным, который они не могли обслуживать.
Технология была включена в экспериментальные устройства Bell Labs в 1974 году. [8] К середине 1970-х годов практически каждая крупная электронная компания имела команды, работающие над пузырьковой памятью. [9] Texas Instruments представила первый коммерческий продукт, который включал пузырьковую память, в 1977 году и представила первую коммерчески доступную пузырьковую память, TIB 0103 с емкостью 92 килобита. [10] [11] [12] К концу 1970-х годов на рынке было несколько продуктов, и Intel выпустила свою собственную 1-мегабитную версию, 7110, в 1979 году. [13] [14] [15] Однако к началу 1980-х годов технология пузырьковой памяти зашла в тупик с появлением систем с жесткими дисками , предлагающих более высокую плотность хранения, более высокую скорость доступа и более низкую стоимость. В 1981 году основные компании, работавшие над этой технологией, закрыли свои операции с пузырьковой памятью, [16] в частности, Rockwell, National Semiconductor, Texas Instruments и Plessey, оставив группу компаний «большой пятерки», все еще преследующих «пузырь второго поколения» к 1984 году: Intel, Motorola, Hitachi, SAGEM и Fujitsu . [17] 4-мегабитные пузырьковые памяти, такие как Intel 7114, были представлены в 1983 году [18] [19] [20] и была разработана 16-мегабитная пузырьковая память. [21] [22]
Пузырьковая память нашла применение на нишевых рынках в 1980-х годах в системах, которым необходимо было избегать более высоких показателей механических отказов дисковых накопителей, а также в системах, работающих в условиях высокой вибрации или суровых условиях. Это применение также устарело с развитием флэш-памяти , которая также принесла преимущества в производительности, плотности и стоимости.
Одним из приложений была игровая аркадная система Bubble System от Konami , представленная в 1984 году. Она имела сменные картриджи пузырьковой памяти на плате на базе 68000. Bubble System требовала «разогрева» около 85 секунд (задаваемого таймером на экране при включении) перед загрузкой игры, поскольку пузырьковая память должна быть нагрета примерно до 30–40 °C (от 86 до 104 °F) для правильной работы. Fujitsu использовала пузырьковую память в своем FM-8 в 1981 году, а Sharp использовала ее в своей серии PC 5000 , портативном компьютере, похожем на ноутбук, с 1983 года. Nicolet использовала модули пузырьковой памяти для сохранения форм сигналов в своем осциллографе модели 3091, как и HP , которая предлагала опцию пузырьковой памяти за 1595 долларов, которая расширяла память на своем цифровом анализаторе сигналов модели 3561A. GRiD Systems Corporation использовала ее в своих ранних ноутбуках. TIE communication использовала его на ранних этапах разработки цифровых телефонных систем для снижения их показателей MTBF и создания энергонезависимого центрального процессора телефонной системы. [23] Пузырьковая память также использовалась в системе Quantel Mirage DVM8000/1 VFX. [ необходима цитата ]
Для хранения пузырьков элементы распространения располагаются парами и бок о бок, и располагаются рядами, называемыми петлями для хранения пузырьков, таким образом, они являются петлями хранения, поскольку пузырьки, которые хранятся в петле, будут постоянно циркулировать вокруг нее, под действием вращающегося магнитного поля, которое также может перемещать пузырьки в другом месте. Пузырьковая память имеет дополнительные запасные петли, чтобы обеспечить повышенный выход во время производства, поскольку они заменяют дефектные петли. Список дефектных петель программируется в памяти, в специальном отдельном цикле, называемом загрузочным циклом, и он также часто печатается на этикетке памяти. Контроллер пузырьковой памяти будет считывать загрузочный цикл каждый раз, когда система пузырьковой памяти включается, во время инициализации контроллер будет помещать данные загрузочного цикла в регистр загрузочного цикла. Запись в пузырьковую память выполняется форматером внутри контроллера памяти, а сигналы от битов, считанных в пузырьковой памяти, усиливаются усилителем считывания контроллера, и они будут ссылаться на регистр загрузочного цикла, чтобы избежать перезаписи или дальнейшего считывания данных в загрузочном цикле. [3]
Пузырьки создаются (память записывается) с помощью затравочного пузырька, который постоянно разделяется или разрезается куском электропроводящей проволоки в форме шпильки (например, сплава алюминия и меди) с использованием тока, достаточно сильного, чтобы локально преодолеть и обратить вспять магнитное поле смещения, создаваемое магнитами, таким образом, кусок проволоки в форме шпильки действует как небольшой электромагнит. Затравочный пузырек быстро восстанавливает свой первоначальный размер после разрезания. Затравочный пузырек циркулирует под круговой заплатой из пермаллоя, которая удерживает его от перемещения в другое место. После образования пузырьки затем циркулируют во «входной дорожке», а затем в накопительном контуре. Старые пузырьки могут быть перемещены из контура в «выходной дорожке» для последующего уничтожения. Пространство, оставленное старыми пузырьками, затем будет доступно для новых. [3] Если затравочный пузырек когда-либо будет утерян, новый может быть зарожден с помощью специальных сигналов, посылаемых в память пузырька, и тока в 2–4 раза выше, чем необходимо для разрезания пузырьков от затравочного пузырька. [4]
Пузырьки в петле хранения (и пустые пространства для пузырьков) постоянно циркулируют вокруг него. Чтобы прочитать пузырек, его «реплицируют», перемещая его в больший элемент распространения, чтобы растянуть пузырек, затем его пропускают под проводником в форме шпильки, чтобы разрезать его на две части импульсом тока, который длится 1/4 герца и имеет форму пиковой волны с длинным задним фронтом, это разделяет пузырек на две части, одна из которых продолжает циркулировать в петле хранения, сохраняя пузырек и, следовательно, данные в безопасности в случае отключения питания. Другой пузырек перемещают на выходную дорожку, чтобы переместить его к детектору, который представляет собой магниторезистивный мост, сделанный из столбца взаимосвязанных шевронов из пермаллоя, где шевроны находятся один за другим, а перед ним находятся аналогичные столбцы шевронов, которые не взаимосвязаны. Они растягивают пузырьки, чтобы генерировать больший выход на детекторе. Детектор имеет постоянный электрический ток, и когда пузырьки проходят под ним, они слегка изменяют электрическое сопротивление и, таким образом, ток в детекторе, а движение пузырьков создает напряжение порядка милливольт, и это считывается либо как 1, либо как 0. Поскольку пузырек должен быть перемещен в определенную область для считывания, существуют ограничения задержки. После детектора пузырьки сталкиваются с ограждением, чтобы уничтожить их. 1 представлен пузырьком, а 0 представлен отсутствием пузырька. [3]
Пластины гадолиний-галлиевого граната, используемые в качестве подложек для пузырьковых чипов, имели диаметр 3 дюйма и стоили 100 долларов каждая в 1982 году, поскольку для их производства требовалось использование иридиевых тиглей. [4]
В 2007 году исследователи Массачусетского технологического института предложили идею использования микрофлюидных пузырьков в качестве логики (а не памяти) . Пузырьковая логика будет использовать нанотехнологии и продемонстрировала время доступа 7 мс, что быстрее, чем время доступа 10 мс, которое имеют современные жесткие диски, хотя это медленнее, чем время доступа традиционной оперативной памяти и традиционных логических схем, что делает предложение коммерчески непрактичным. [24]
Работа IBM 2008 года над памятью типа «гоночный трек» по сути является одномерной версией пузыря, имеющей еще более тесную связь с оригинальной концепцией последовательного твистора. [25]
Среди производителей магнитных пузырьковых устройств, помимо Bell Labs и IBM, есть Texas Instruments, подразделение Honeywell Inc. по управлению процессами в Финиксе и Rockwell International...
{{cite web}}: |last=имеет общее название ( помощь ){{cite web}}: |last=имеет общее название ( помощь )
