2
Магнитная память ЭВМ
Кандидат технических наук Д. Г. КРУТОГИН, доктор технических наук Л. М. ЛЕТЮК, А. Т. МОРЧЕНКО
Наше время — начало эпохи ЭВМ. Зародившись около сорока лет назад, племя компьютеров быстро набрало силы, широко внедрилось в самые различные сферы человекаской деятельности, от кассовых аппаратов до расчетов космических трасс. Микроэлектроника в последние годы позволила так резко снить размеры ЭВМ и повышить их надежность, что взгляд на ЭВМ как на экзотическую российскую стал уходить в области предания.
Цель и необходимость применения ЭВМ — освобождение человекаского мозга от рутиных мыслительных операций. Компьютеркое в чем заменяет мозг, но методы работы у них существуютно различны. Особенность строения и функционирования современных ЭВМ в том, что самые сложные задачи в них расчленяются на последовательность простейших арифметических операций. Зато скорость выполнения отромна — арифметические устройства ЭВМ, которые называются процессорами, совершают миллионы операций в секунду. И промежуточные, и окончательные результаты расчетов на некоторое время нужно запомнить, как заполняем мыфру «в уме» при умножении в столбик. Поэтому любая ЭВМ, и самая большая, и микрокалькулятор, имеет собственную память, точнее говоря — заполняющие устройства.
В заполняющих устройств (3У) хранится всё, что нужно ЭВМ для вычисления. Чем больше должа знать и помнить ЭВМ, тем больше объем ее 3У, и тем больше масса машин и ее цена. Память составляет бóльшую часть объема и стоимость ЭВМ (до 60—80 %). К тому же больше память подобна большой библиотеке, в которой время поиска и доставки требуемой книги иногда превышает время пользования его.
4
тельно нужна пересивность памяты, то есть способность к быстрой замене информации (перезаписи). Наконец, если эти требования выполнены, хорошо имеет системы, не требующие больших затрат энергии на управление, обладающие высокой надежность и т. д.
Вообще говоря, запоминающие устройства можно построить на различных принципах: механическом, акустическом, электронном, магнитном, оптическом. Но… Механические ЗУ неSTRAВВАЮТ нас по быстродействию, хотя изобретатель конторских счетов — простейшего запоминающего устройства — мы должны выразить признаательность за первое техническое выполнение порзряного принципа хранения информации, создание пересивной среды для записи и т. д. Довольно высокой емкостью, надежностью, помещающейшенноство обладают граммофонные пластинки. Но для ЗУ ЭВМ пластинки не очень удобны: нет нужного быстроествия и совсем плохо с пересивностью памяты.
Давно известен магнитный метод записи электрических сигналов. Он основан на свойстве неокоторых материалов «запоминаать» магнитное поле, в котором они pobывали. Наверное, многим из вас приходилось намагничивать гвозди, иголки, ножницы и т. п., поднося их к постоянному магниту. И вы, возможно, обращали внимание, что ножницы после этого сами становятся хорошо железную мелочь; намагниченная илка может служить стрелкой компаса; а гвозди, если их отнести от магнита, быстро теряют свои магнитные свойства. Не все магнитные материалы обладают способностью «запоминаать» магнитное поле; но один из них — минерал магнетит, представляющий собой сложный оксид железа, известен людям большие тысячи лет и послужил первым материалом для компасов.
Особенно хорошо намагничиваются мелкие илкаобразные частицы — побивав в магнитном поле, они могут заполнить и его индукцию, и его направление. Если такую намагничную часть проектируется mismo замкнутого проводящего витка, в нем возникнет индукционный ток.
На этом свойстве магнитных материалов основана работа магнитногона. Носителем магнитных частицы служит пластмассовая лента, на которой в тонком слое лака закреплены иглообразные частицы магнитного порошка (длина частиц порядка микрона, диаметр — порядка десятой доли микрона). Вместо проводящего витка используется маленький электромагнит — головка записи и воспроизведение: по нашему желанию он либо намагничивает частицы порошка (запись), либо сам намагничивает полем прохождения mismo намагниченной частицы, и в его обмотке возникает ток, повторяющий по форме ранее записанный сигнал (воспроизведение).
Magнитофон появился на свет почти одновременно с телефоном — около стает назад. Но обеспечить хорошее качество записи удалось лишь в сороковых годах нашего века.
В вычислительных машинах магнитофон сразу нашеел себе место. Каждая порошинка может несгибать 1 бит информации: намагниченной поршинке можно приписать значение 1, не намагниченной — 0. Понятно, что емкость и быстроествие такого устройства памяти зависит от длины ленты и скорости протяжения.
Переделака магнитофона позволяет быстроествие записи. Вместо магнитной ленты сигналы записьают на диске, покрытом магнитным лаком. Диск, диаметр которого около 0,5 м, врашается со скоростью 100 оборотов в секунду. Головка записи-считывания и поверхность диска не сопроваются (иначе при таких скорях они в результате треня сильно разогревались бы и быстро изнашивались). Головка парит над диском на расстоянии всего 2—5 мкм. Для качественного передачи сигнала важно, чтобы расстояние это было постоянно, поэтому диск не должен иметь заметных биней. Дисковый магнитофон любит чистый воздух — попадание в двухмикронный зазор трехмикронной пылинки, которое и глазом-то не увидишь, вызывает последствия, эквивалентные по значительности попадания крупного бульжника под бещею мчашйся автоматically.
С помощью дисков магнитофонов можно удовлетворить потребности буферных ЗУ по емкости и быстроествие.
Ферритовое колечко — элемент памятки
В оперативных ЗУ основными элементами памяти долгое времени были
5
матничные колыца. Такие колыца, сделанные из железонилевого сплава или ферритов (неметаллических магнитных материалов), обладают свойством находиться в течение длительного времени в состоянии остаточной намагниченности. При этом индукция магнитного поля в материалов колыца по направлению совпадает с индукцией внешнего поля, в котором колыцо намагничилась, а по величине близка к ней.
Представим себе, что мы намагнитили колыцо, пропустив по намагнитному на него проводу импульс тока, а по обмотке второго колыца пропустили импульс тока в противоположном направлении (рисунок 1, а). Тогда векторы индукции магнитных полей, возникших в колыцах при намагничивании, будут направлены в противоположные стороны. Оdnому состояние значения 1, а другому — 0. Поддамим теперь на оба колыца одинаковые по полярности импульсы тока. Однако (верхнее на рисунке 1, б) перемагнитится — за короткое время направление индукции магнитного поля в колыце изменится на противоположное. Изменение индукции означает изменение магнитного потока, произвольно любое сечение колыца. Следовательно, в намагничной на колыцо вторичной обмотке — обмотке считывания — при перемагничивании возникнет ЭДС индукции. Если вторичная обмотка замкнута, по ней протечет импульс тока — импульс «считанной» единиц们. Таким образом, мы прочитали число, записанное в первом колыце, и стерли его, то есть разрушили информацию. А что же второе колыцо? Оно не перемагничивается, так как уже было ранее намагничено с заданным направлением вектора индукции. Отсутствие импульса от второго колыца — это тоже информацию, но о числе 0. Таким образом, каждое колыцо — это элементарное заполнение устройства emкостью в 1 бит.
Магнитная память на колыцевых сердечниках работает довольно быстро — время перемагничивания колес составляет доли микросекунд. Емкость памяти зависит от числа колес. Для оперативного ЗУ на 1 метабит требуется не менее миллиона колес, а в некоторых случаях и более двух миллионов. Следать такое количество колес можно, процессы эти автоматизированы. Далее нужно каждое колыцо испыть, потому что если одно из миллиона колес «врет» — все системы грош цена. Был созданы машины, испытывшие до 5 тысяч колес в час, но и это еще не главная трудность.
Магнитные колыца надо сначала обмотками записи и считывания, а затем организовать в некотором системе, чтобы иметь возможность определить, какому именно колыцу соответствует данной бит информации. Миллион колес с двумя обмотками — это два миллиона проводов и четыре миллиона контактов. Избавиться от этого изобилия помогает матричная система построения ЗУ. Нанжем десяток колес на один провод, который наоземен числовым (рисунок 2). Теперь все колыца можно намагничить одним импульсом, и во всех колыцах запишется 0. Через каждое колыцо пропустим провод перепendlukулярно числовому; эти десять проводов наоземен разрядными. Конструцию, который мы получили, называют числовой линейкой. Чтобы записать в ней двойное число 1110001101 (что это за число
6
в десятичной системе?), пошелем по числовому проводу импульс, равный по величины половине перемагничивающего значения тока, а другой такой же импульс одновременно пошел в разрядные провода колцит 1, 2, 3, 7, 8 и 10. Там, где импульсы сложятся, колца перемагнитятся; в колцах 4, 5, 6 и 9 этого не производет. «Считать» все число можно, пропустив большой «отрицательный» (перемагничивающий) импульс по числовому проводу. Но для того чтобы получить и образовать сигнал считывания, нужно еще один провод в каждом разряде — обмотка считывания. Итак, на десять колцит числовой линейки мы имеем двадцать один провод. На десять числовых линейки, то есть на десять десятирарядных чисел, нужно десять числовых проводов. (разрядные и считывающие будут прежними) — итого — 31 провод и т. д. То же, конечно, немало, но все-tаки для создания метабитового 3У можно ограничиться несколькими сотнями проводов. Сложнее другое.
Пусть колечко (далеко не самое маленькое) имеет наружный диаметр 0,6 мм, внутренний — 0,35 мм. Теперь через каждое колцито необходимо в разных направлениях протянуть минимум три провода диаметром 0,05 мм и повторить эту операцию более миллиона раз. Такая работа сродни шитью бисером (она и называется прошивкой). Толком автоматизировать ее, увы, не удалось, а ручной труднеечайно заменял производство и удорожал собираемые устройства.
Первые образцы 3У на магнитных колцах даже необходимо емкости представляли собой кубы памяты в букваном смысле слова — они имели объем около 1 м³. По вполне понятным причнам стремятся уменьшить газариты запоминающих устройств. К настоящему времени удалось уменьшить нарушенный диаметр изготовляемых колцц до 0,25 мм. Можно представить себе, насколько условияется при этом задача их прошивки. Казалось бы, трудности дальнейшего уменьшения размеров колцевых сердечников непредодолимы, и продолжавшееся двадцать лет господство магнитных ОЗУ заканчивается; тем более, что благодаря успехам микроэлектронки полупроводниковые ОЗУ стали эффективнее магнитных, то есть компактнее и дешевле.
В этом месте следует перевать рассказ об истории магнитной записи и представить электронные ячейки памяти. Давно известно, что из двух триодов можно собрать схему, которая «работает» в двух режимах: при одном направлении тока работает один триод, а второй оказывается запертым, а при другом направлении тока триоды меняются ролими. В одном режиме работы системе можно приписать значение 0, в другом — 1. Такая система называется триггером. У самых первых ЭВМ как раз триггеры (тысячи триггеров) и выполнили функции оперативной памяти; но они не выдержали конкуренции с более компактной, почти не выделяющей телла, надежной, потребляющей мало энергии магнитной памяти.
Современные полупроводниковые микросхемы 3У, в основном, те же триггеры, только уменьшенные до микронных размеров. На пластине размером 5×5 мм, сделанной из полупроводникового кристалла, удаляется размеры запоминающей устройство emкостью в 200 000 бит; быстроествие таких 3У — порядка 10⁻⁸ с. Объективно отметим один весма существенный недостаток электронных ОЗУ: выключение питания стирает всю накоплен-
7
ную информацию. Во многих случаях этот недостаток терпим, но иногда, например в военной или космической технике, становится серьезным преятствием.
Бег магнитных пузырьков
Около пятнадцати лет назад появились первые модели экспериментальных 3У в интегральном исполнении, сочетание достоинств магнитной записи с эффективностью микрозлектронной технологии. Эти устройства, используемые магнитных доменов, получили название доменных 3У. Доменами называются malleе области (объемы) магнитного вещества (например, железа), каждый из которых самопроизвольно полностью намагничена. Векторы индукции магнитных полей отделены доменов в отсутствие внешнего магнитного поля направлены так, что в целом образец оказывается размагниченным.
Нанболее перспективным для создания доменных 3У оказалось применение так называемых цилиндрических магнитных доменов. Их историю следует начать с конца 50-х годов, когда в ряде магнитных материалов были обнаружены домены специфической формы, наполняющие воздушные пузырьки в плотницком уровне. Позмоту эти домены часто так и называют — магнитные пузырьки. Однако особый интерес к этим доменам стал проявлять только после того, как в октября 1967 года появился статя американского физика Эндрю Бобека, в котором он впервые указал на заманчивые перспективы их использования для создания устройства хранения и переработки информации. (Причемательно, что сам Бобек не является специализатом в области физики магнитных явлений, а занимается вычислительной техникой.)
Magнитные пузырьки могут возникать в тонких пластинках или пленках неоторых магнитных кристаллов. В исходном (размагниченном) состоянии доменная структура тонкого слоя таких кристаллов состоит из равного числа доменов с противоположными направлениями намагничности — векторы индукции магнитных полей отделных доменов перепределуярыны плоскости слоя и направлены в противоположные стороны.
На рисунке 3, а показана магнитная структура кристалла в размагничном состоянии, называемая лабиринтовой доменной структурой (симмок сделан под микросопом). Темные и светлые участки — домены различной поляности. А фотографии 3, 6—e сделаны в процессе намагничивания кристалла магнитным полем, индукция которого направлена в сторону наблюдается. При увеличении индекции внешнего поля домены с намагничностью, направленной по полю, растут, а против поля — наоборот сужаются. В некоторых интервале внешних полей остатки «невыгодно» намагниченных доменов стягиваются сначала в эллиптические, а затем и в круговые «пузырьки». Области кристалла, занимаемые магнитными пузырьками, в сочетании, перепедикулярном плоскости пленки или пластинны, имеют очередная «пузатых» цилиндриков. Поэтому домены называют еще цилиндрическими. Дальнейшее увеличение индекции внешнего поля приводит к уменьшению диаметра «пузырьков», и при некоторых критических значениях индекции «пузырьки» схлопываются, или, как говоря, ангигилируют, — цилиндрические магнитные домены (ЦМД) скачаком перемагничования до того же состояния, в котором превывает основная часть кристалла. Если же индукцию поля, приложенного к пластине, в которой уже имеются ЦМД, уменьшать, то при некоторых значениях поля начинает искажаться форма доменов — они становятся эллиптическими и затем превращаются
8
в обычные полосовые домены лабиринной структуры.
Итак, цилиндрические домены можно зарождаать (генерировать), воздействуя на образец импульсным магнитным полем, которое возникает, например, при пропускании по витку импульса тока. Пропуская импульс образной полярности, ЦМД можно уничтожить. Наличие или отсутствие в данной точке магнитной пластины цилиндрического домена эквивалентно 1 или 0 информации в этой точке.
Цилиндрические домены обладают еще одним замечательным свойством — их можно перемешать по пластине. Движется они довольно быстро, подчас быстрое реактивного самолета, со скоростью до 500 м/с. Удобнее всего перемешать ЦМД магнитным полем, вектор индукции которого лежит в плоскости пластины. Чтобы придать их движению организованный, направленный характер, в пластине формирует специальные магнитные коридоры, в пределах которых только и могут двигаться домены. Запущенная в этот коридор последовательность ЦМД движения как единое целое, расстояния между соседними доменами при движении не изменяются. В отличие от магнитной ленты в этом случае информационная последовательность безит в неподвижной магнитной среде.
Если магнитную дорогу (коридор) замкнут в колюцо, получится аналогия с колютом магнитной ленты или дорогой дискового магнитногона, с той лишь разницей, что в ЦМД-колюце полностью отсутствует движущие части, а размеры всего колца составляют доли миллиметра.
Для полной аналогии разместим на колъевой ЦМД-дорожке (см. рис. 4) генератор доменов (он будет выполнять функцию записывающей головки), ангигилятор (унчтожитель) ЦМД (для страница записанной информации) и, наконец, какой-либо датчик, отмещющий электрическим сигналом прохождение mismo него каждой ЦМД. Датчик будет выполнять функцию считывающей головки магнитногона. Магнитное поле, вектор индукции котороговращается в плоскости пластины с большой скоростью (100÷400 кГц), обеспечит циркуляцию информации в колъевой дорогже. Когда это поле отключено, внешние постоянные магниты поддерживают все домены в устойчивом состоянии и прежнем порядке. Емкость одной дорогки может достигать сотни килобит; на пластине размером 10×20 мм можно разместить несколько десятиков или сотен дорогек.
Микросоппические размеры ЦМД (до 0,5 мкм и менее), их уникальные свойства позволяют изготовить приборы, обладающие большей информационной скоростью при малых размерах и низком потреблении энергии, сохраняющие записанные сведения даже при отключении питания. Замечательное еще и то, что почти все технологии производства запоминающих устройств, основанных на ЦМД, практические готова — это технологии полупроводниковых больших интервальных схем (БИС). Поэтому такие 3У развивались быстреми темпами, и сейчас существенно сердные микросхемы с плотностью памяти 10^7 бит/cm² и емкостью до 10^8 бит, занимающие объем менее литра, приемленные по цене и по затратам энергии на управление.
3У на ЦМД могут найти применение для устройства огромного размера во временах доступа к информации между оперативными 3У (на ферритовых сердечниках или полупроводниковых ИС) с высоким быстроествием (10^-8—10^-6 с) и внешними 3У большей емкости (на магнитных лентах и дисках) с относительной низким быстроествием (10^-3 с). Это позволяет повышить эффективность работы современных ЭВМ, поскольку на сегодня день около 80 % машинного времени затрачивается на обмен информацией между оперативной и внешней памятью. Кроме того, 3У на ЦМД вне конкуренции при работе в экстремальных условиях, например, в бортовой электриной аппаратуре космических корпей, в военной технике, где требуется повышенная надежность.
(Окончание см. на с. 18)