Пузырьковая память — это тип энергонезависимой компьютерной памяти , в которой используется тонкая пленка магнитного материала для хранения небольших намагниченных областей, известных как пузырьки или домены , каждая из которых хранит один бит данных. Материал устроен так, что образует ряд параллельных дорожек, по которым пузырьки могут перемещаться под действием внешнего магнитного поля. Пузырьки считываются путем перемещения их к краю материала, где их можно прочитать с помощью обычного магнитного датчика , а затем перезаписываются на дальнем крае, чтобы память постоянно проходила через материал. По своей работе пузырьковая память аналогична системам памяти с линией задержки .
Пузырьковая память зародилась как многообещающая технология в 1970-х годах, предлагая плотность памяти примерно такую же, как у жестких дисков , но производительность, более сопоставимую с базовой памятью , при отсутствии каких-либо движущихся частей. Это побудило многих рассматривать его как претендента на звание «универсальной памяти», которую можно было бы использовать для хранения любых данных. Появление значительно более быстрых полупроводниковых чипов памяти отодвинуло пузырь на медленный конец шкалы, а столь же резкое увеличение емкости жестких дисков сделало его неконкурентоспособным в ценовом отношении. [1] Пузырьковая память некоторое время использовалась в 1970-х и 1980-х годах в приложениях, где ее неподвижность была желательна по причинам технического обслуживания или защиты от ударов. Появление флэш-накопителей и подобных технологий сделало даже эту нишу неконкурентоспособной, и к концу 1980-х годов «пузырь» полностью исчез.
Пузырьковая память во многом является детищем одного человека, Эндрю Бобека . На протяжении 1960-х годов Бобек работал над многими проектами, связанными с магнетизмом, и два из его проектов предоставили ему особенно хорошие возможности для разработки пузырьковой памяти. Первым была разработка первой системы памяти с магнитным сердечником, управляемой контроллером на основе транзистора , а вторым — разработка твисторной памяти .
Твистор — это, по сути, версия основной памяти , в которой «сердечники» заменены куском магнитной ленты . Главным преимуществом твистора является возможность его сборки на автоматизированных машинах, в отличие от сердечника, который почти полностью собирался 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 память DRAM появилась на рынке в начале 1970-х годов и быстро заменила все предыдущие системы памяти с произвольным доступом . В итоге Twistor использовался лишь в нескольких приложениях, многие из которых были созданы на собственных компьютерах AT&T.
При производстве был замечен один интересный побочный эффект твисторной концепции: при определенных условиях прохождение тока через один из электрических проводов, проходящих внутри ленты, приводило к тому, что магнитные поля на ленте перемещались в направлении тока. При правильном использовании он позволял сохраненным битам перемещаться по ленте и отрываться от ее конца, образуя своего рода память с линией задержки , но в которой распространение полей находилось под контролем компьютера, а не автоматически продвигалось с определенной скоростью. установленная норма определяется используемыми материалами. Однако такая система имела мало преимуществ перед твистором, тем более что она не допускала произвольного 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 количество битов, которые он содержал, и многие такие провода были проложены рядом, чтобы создать более крупную систему памяти.
Обычные магнитные материалы, такие как магнитная лента, используемая в твисторах, 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 внутри пленки можно перемещать магнитные сигналы в ортогональных направлениях. Эта плодотворная работа привела к подаче заявки на патент. [2] Устройство памяти и метод распространения были описаны в документе, представленном на 13-й ежегодной конференции по магнетизму и магнитным материалам, Бостон, Массачусетс, 15 сентября 1967 года. В устройстве использовались анизотропные тонкие магнитные пленки, которые требовали различных комбинаций магнитных импульсов для ортогональных направления распространения. Скорость распространения также зависела от жестких и легких магнитных осей. Это различие предположило, что желательна изотропная магнитная среда.
Это привело к возможности создания системы памяти, аналогичной концепции твистора с подвижной областью, но с использованием одного блока магнитного материала вместо множества твисторных проводов. Начав работу по расширению этой концепции с помощью ортоферрита , Бобек заметил дополнительный интересный эффект. Поскольку в твисторе использовались магнитные ленты, данные приходилось хранить на относительно больших участках, известных как домены . Попытки намагнитить меньшие площади потерпят неудачу. В случае с ортоферритом, если заплатку написать, а затем приложить ко всему материалу магнитное поле, заплатка сожмется в крошечный кружок, 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 значительных открытий:
Пузырьковую систему невозможно описать каким-либо одним изобретением, а только с точки зрения вышеупомянутых открытий. Энди Бобек был единственным первооткрывателем (4) и (5) и соавтором (2) и (3); (1) исполнил П. Михаэлис в группе П. Бонихарда. В какой-то момент над проектом в Bell Labs работали более 60 учёных, многие из которых заслужили признание в этой области. Например, в сентябре 1974 года Х.Д. Сковил , П.С. Михаэлис и Бобек были награждены IEEE Мемориальной премией Морриса Н. Либмана со следующей цитатой: За концепцию и разработку одностенных магнитных доменов (магнитных пузырьков) и за признание их важности для технологии памяти.
Чтобы найти идеальный материал, потребовалось некоторое время, но было обнаружено, что некоторые гранаты обладают правильными свойствами. В материале легко образовывались пузырьки, и их можно было довольно легко проталкивать по нему. Следующая проблема заключалась в том, чтобы заставить их переместиться в нужное место, где их можно было бы прочитать обратно: твистор был проводом, и было только одно место, но в 2D-листе все было бы не так просто. В отличие от первоначальных экспериментов, гранат не заставлял пузырьки двигаться только в одном направлении, но его пузырьковые свойства были слишком выгодными, чтобы их можно было игнорировать.
Решение заключалось в том, чтобы отпечатать на поверхности граната узор из крошечных магнитных полосок, называемых элементами распространения. При приложении небольшого магнитного поля они намагничивались и пузырьки «прилипали» к одному концу. При перевороте поля они будут притянуты к дальнему концу и будут двигаться вниз по поверхности. Еще один разворот приведет к тому, что они оторвутся от конца бара к следующему бару 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 создается 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 магнитными пленками граната, однако существующий опыт использования гранатовых пленок означал, что они не закрепились. Пленки граната имеют такие же или лучшие магнитные свойства, что и пленки ортоферрита, которые по сравнению с ними считались менее перспективными. Материалы граната (в виде пленок на поверхности подложки) могут обеспечивать более высокие скорости распространения пузырьков (скорость пузырьков), чем ортоферриты. Твердые пузыри медленнее и более неустойчивы, чем обычные пузыри, и эту проблему часто решают путем ионной имплантации магнитной пленки граната неоном [4] , а также можно решить путем покрытия магнитной пленки граната пермаллоем. [5]
Устройство памяти формируется путем соединения крошечных электромагнитов на одном конце с детекторами на другом конце. Записанные пузыри будут медленно перемещаться друг к другу, образуя лист твисторов, выстроенных рядом друг с другом. Присоединение выхода детектора обратно к электромагнитам превращает лист в серию петель, которые могут удерживать информацию столько, сколько необходимо. [3]
Пузырьковая память — это энергонезависимая память . Даже после отключения питания пузырьки остались, как узоры на поверхности жесткого диска . Более того, устройствам с пузырьковой памятью не требовалось движущихся частей: поле, которое толкало пузырьки по поверхности, создавалось электрически, тогда как носители информации, такие как ленточные и дисковые накопители, требовали механического движения. Наконец, из-за небольшого размера пузырьков плотность теоретически была намного выше, чем у существующих магнитных запоминающих устройств. Единственным недостатком была производительность; пузырьки должны были переместиться в дальний конец листа, прежде чем их можно было прочитать.
Устройство пузырьковой памяти состоит из корпуса, в котором находится печатная плата с соединениями к одной или нескольким микросхемам пузырьковой памяти, которые могут быть полупрозрачными. Область вокруг микросхем на печатной плате окружена двумя обмотками из медной проволоки или другого электропроводящего материала, которые по большей части охватывают эту область, оставляя некоторое пространство для прохождения печатной платы через обмотки и подключения к микросхемам. Обмотки намотаны в противоположных друг другу направлениях, например, провода одной обмотки ориентированы по оси X, а провода другой обмотки - по оси Z. Обмотки, в свою очередь, окружены двумя постоянными магнитами, один снизу, другой над обмотками. Это образует узел, расположенный внутри корпуса, который действует как магнитный экран и образует путь возврата магнитного поля от магнитов. Постоянные магниты имеют решающее значение; они создают статическое (постоянный, постоянный ток) магнитное поле, используемое в качестве поля смещения, которое позволяет сохранять содержимое памяти, другими словами, они позволяют пузырьковым воспоминаниям быть энергонезависимыми. Если магниты удалить, все пузырьки исчезнут и, следовательно, все содержимое будет удалено. Обмотки создают вращающееся магнитное поле, параллельное ориентации пузырьковой памяти, с частотой от 100 до 200 кГц. Это будет перемещать пузырьки в магнитной пленке по кругу, направляемые или сдерживаемые элементами распространения. Например, вращающееся магнитное поле может заставить пузырьки постоянно циркулировать вокруг петель, которые могут быть удлиненными и определяются расположением направляющих элементов. [3] [6]
Чтобы позволить пузырькам перемещаться вокруг пузырьковой стружки и направлять ее через чип, стружка имеет своего рода рисунок из ферромагнитного металла, который может включать, например, асимметричные шевроны. [3] Например, пузырьки могут перемещаться по краям шевронов. Паттерны можно назвать элементами распространения, поскольку они позволяют пузырькам перемещаться или распространяться по ним. Они определяют пути хранения и извлечения пузырьков для чтения, 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 (пузырьковая основа или пузырьковая пленка/слой) [5] [4], такая как гадолиний-содержащий гранат [5] или, чаще, монокристаллический замещенный иттрий-железный гранат [4] которая удерживает магнитные пузырьки, которая выращивается эпитаксиально с помощью жидкофазной эпитаксии с флюсом оксида свинца в качестве жидкости с оксидом иттрия и другими оксидами, а затем пленка легируется ионной имплантацией одного или нескольких элементов для уменьшения нежелательных характеристик. [5] [3] Процесс эпитаксии будет осуществляться с использованием платинового тигля и держателя пластин. [4] Шевроны и другие детали расположены поверх пленки. [3] Элементы распространения, включая шевроны, могут быть изготовлены из такого материала, как никель-железный пермаллой. Материалы для пузырьковой памяти выбираются главным образом из-за их магнитных свойств. [3] В качестве подложки используется гадолиний-галлиевый гранат, поскольку он может поддерживать эпитаксиальный рост пленок магнитного граната и является немагнитным, [4] хотя в некоторых пузырьковых запоминающих устройствах вместо этого используются никель-кобальтовые подложки.
Использование элементов распространения, сформированных путем 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)
Вскоре у команды Бобека появилась квадратная память размером 1 см (0,39 дюйма), в которой хранилось 4096 бит, что соответствовало стандартной на тот момент плоскости основной памяти . Это вызвало значительный интерес к отрасли. Пузырьковая память могла не только заменить ядро, но, казалось, она также могла заменить ленты и диски. Фактически казалось, что пузырьковая память вскоре станет единственной формой памяти, используемой в подавляющем большинстве приложений, а рынок высокопроизводительных устройств окажется единственным, который они не смогут обслуживать.
Эта технология была использована в экспериментальных устройствах Bell Labs в 1974 году. [8] К середине 1970-х годов практически в каждой крупной компании по производству электроники были команды, работавшие над пузырьковой памятью. [9] Компания Texas Instruments представила первый коммерческий продукт, включающий пузырьковую память, в 1977 году, а также представила первую коммерчески доступную пузырьковую память - TIB 0103 емкостью 92 килобита. [10] [11] [12] К концу 1970-х годов на рынке появилось несколько продуктов, и в 1979 году Intel выпустила собственную 1-мегабитную версию 7110. [13] [14] [15] К началу 1980-х годов однако технология пузырьковой памяти зашла в тупик с появлением систем жестких дисков , предлагающих более высокую плотность хранения, более высокие скорости доступа и более низкие затраты. В 1981 году крупные компании, работавшие над этой технологией, закрыли свои операции с пузырьковой памятью, [16] в частности Rockwell, National Semiconductor, Texas Instruments и Plessey, в результате чего к 1984 году осталась «большая пятерка» компаний, все еще стремившаяся к созданию «пузыря второго поколения»: Intel, Motorola, Hitachi, Sagem и Fujitsu. [17] 4-мегабитная пузырьковая память, такая как Intel 7114, была представлена 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 избежать более высокого уровня механических отказов дисковых накопителей, а также в системах, работающих в условиях высокой вибрации или суровых условиях. Это приложение также устарело с развитием флэш-накопителей , что также привело к повышению производительности, плотности и снижению затрат.
Одним из приложений была аркадная игровая система Bubble System от Konami , представленная в 1984 году. В ней использовались сменные картриджи пузырьковой памяти на плате на базе 68000 . Перед загрузкой игры системе Bubble потребовалось время «разогрева» около 85 секунд (подсказываемое таймером на экране при включении), поскольку память пузырьков необходимо нагреть примерно до 30–40 °C (от 86 до 40 °C). 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, 1983 года. Николет использовал модули пузырьковой памяти для сохранения сигналов в своем осциллографе модели 3091, как и HP , предложившая Опция пузырьковой памяти стоимостью 1595 долларов, которая расширила память цифрового анализатора сигналов модели 3561A. Корпорация GRiD Systems использовала его в своих первых ноутбуках. Связь TIE использовала его на ранних стадиях разработки цифровых телефонных систем, чтобы снизить скорость их безотказной работы и создать энергонезависимый центральный процессор телефонной системы. [23] Пузырьковая память также использовалась в системе Quantel Mirage DVM8000/1 VFX. [ нужна цитата ]
Для хранения пузырьков элементы распространения располагаются парами, из стороны в сторону и располагаются рядами, называемыми петлями для хранения пузырьков, таким образом, они являются петлями хранения, поскольку пузырьки, хранящиеся в петле, будут постоянно циркулировать вокруг нее под действием вращающееся магнитное поле, которое также может перемещать пузырьки в другое место. Пузырьковая память имеет дополнительные запасные петли, позволяющие увеличить производительность во время производства, поскольку они заменяют дефектные петли. Список неисправных шлейфов программируется в памяти, в специальном, отдельном шлейфе, называемом загрузочным шлейфом, а также часто печатается на этикетке памяти. Контроллер пузырьковой памяти будет считывать загрузочный цикл каждый раз при включении системы пузырьковой памяти. Во время инициализации контроллер помещает данные загрузочного цикла в регистр загрузочного цикла. Запись в пузырьковую память выполняется форматером внутри контроллера памяти, а сигналы из битов, считанных в пузырьковой памяти, усиливаются усилителем считывания контроллера, и они будут ссылаться на регистр цикла загрузки, чтобы избежать перезаписи или дальнейшего чтения данных. в цикле загрузки. [3]
Пузырьки создаются (записывается память) с помощью зародышевого пузыря, который постоянно расщепляется или разрезается куском электропроводящей проволоки в форме шпильки (например, из алюминиево-медного сплава) с использованием тока, достаточно сильного, чтобы локально преодолеть и обратить вспять магнитное поле. поле смещения, создаваемое магнитами, поэтому кусок провода в форме шпильки действует как небольшой электромагнит. После срезания семенной пузырь быстро восстанавливает свой первоначальный размер. Семенной пузырь циркулирует под круглым пермаллоевым пятном, которое удерживает его от перемещения в другое место. После генерации пузырьки затем циркулируют по «входной дорожке», а затем в цикл хранения. Старые пузыри будут перемещены из цикла на «выходную дорожку» для последующего уничтожения. Пространство, оставленное старыми пузырями, станет доступным для новых. [3] Если семенной пузырь когда-либо теряется, новый может зародиться с помощью специальных сигналов, посылаемых в память пузырька, и тока в 2–4 раза выше, чем необходимо для отделения пузырьков от семенного пузырька. [4]
Пузырьки в контуре хранения (и пустые места для пузырьков) постоянно циркулируют вокруг него. Чтобы прочитать пузырек, его нужно «воспроизвести», переместив его на более крупный элемент распространения, чтобы растянуть пузырек, затем его нужно пропустить под проводник в форме шпильки, чтобы разрезать его на две части с помощью импульса тока, который длится 1/4 герц и имеет форму всплеска волны с длинным задним фронтом, это разделит пузырек на две части, одна из которых продолжит циркулировать в контуре хранения, сохраняя пузырек и, следовательно, данные в безопасности в случае сбоя питания. Другой пузырек будет перемещен на выходную дорожку, чтобы переместить его к детектору, который представляет собой магниторезистивный мост, состоящий из столбца взаимосвязанных шевронов из пермаллоя, где шевроны расположены один за другим, а перед ним есть аналогичные столбцы шевронов, которые не взаимосвязаны. Они растягивают пузырьки, чтобы генерировать больший выходной сигнал на детекторе. Детектор имеет постоянный электрический ток, и когда пузырьки проходят под ним, они слегка меняют электрическое сопротивление и, следовательно, ток в детекторе, а движение пузырьков создает напряжение порядка милливольт, и это читается как 1 или 0. Поскольку для чтения пузырь необходимо переместить в определенную область, существуют ограничения по задержке. После детектора пузырьки попадают в ограждение, чтобы уничтожить их. 1 обозначается пузырьком, а 0 — отсутствием пузырька. [3]
Пластины гадолиниево-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 было продемонстрировано, что время доступа составляет 7 мс, что быстрее, чем время доступа 10 мс, которое имеют современные жесткие диски, хотя и медленнее, чем время доступа традиционной оперативной памяти и традиционных логических схем. что делает это предложение в настоящее время коммерчески нецелесообразным. [24]
Работа IBM над памятью на беговой дорожке в 2008 году представляет собой, по сути, одномерную версию пузыря, имеющую еще более близкое отношение к исходной концепции последовательного твистора. [25]
Среди производителей магнитно-пузырьковых установок, помимо Bell Labs и IBM, есть Texas Instruments, подразделение управления процессами Honeywell Inc. в Фениксе и Rockwell International...
{{cite web}}: |last=имеет общее имя ( справка ){{cite web}}: |last=имеет общее имя ( справка )
