Bộ nhớ máy tính từ tính

2

Bộ nhớ máy tính từ tính

Ứng viên Khoa học Kỹ thuật D. G. KRUTOGIN, Tiến sĩ Khoa học Kỹ thuật L. M. LETYUK, A. T. MORCHENKO

Thời đại của chúng ta là sự khởi đầu của kỷ nguyên máy tính. Ra đời cách đây khoảng 40 năm, bộ tộc máy tính nhanh chóng có được sức mạnh và được đưa vào rộng rãi trong nhiều lĩnh vực hoạt động của con người, từ máy tính tiền đến tính toán đường bay trong không gian. Trong những năm gần đây, vi điện tử đã giúp giảm kích thước của máy tính một cách đáng kể và tăng độ tin cậy của chúng đến mức quan điểm coi máy tính là những chiếc máy tính xa lạ của Nga đã bắt đầu mờ dần vào cõi huyền thoại.

Mục đích và sự cần thiết của việc sử dụng máy tính là giải phóng bộ não con người khỏi những hoạt động trí óc thường ngày. Máy tính thay thế bộ não theo một số cách, nhưng phương pháp hoạt động của chúng tồn tại nhưng khác nhau. Điểm đặc biệt trong cấu trúc và chức năng của máy tính hiện đại là bài toán phức tạp nhất trong chúng được chia thành một chuỗi các phép tính số học đơn giản. Nhưng tốc độ thực hiện rất lớn - các thiết bị số học máy tính, được gọi là bộ xử lý, thực hiện hàng triệu phép tính mỗi giây. Cả kết quả trung gian và kết quả cuối cùng của phép tính đều cần được ghi nhớ một thời gian, giống như chúng ta điền công thức “trong đầu” khi nhân trong một cột. Do đó, bất kỳ máy tính nào, cả máy tính lớn nhất và máy tính vi mô, đều có bộ nhớ riêng, hay chính xác hơn là các thiết bị làm đầy.

Thiết bị nạp (3U) lưu trữ mọi thứ mà máy tính cần để tính toán. Máy tính càng phải biết và ghi nhớ nhiều thì khối lượng 3U của nó càng lớn, khối lượng máy móc và giá cả của nó càng lớn. Bộ nhớ chiếm phần lớn dung lượng và giá thành của máy tính (lên tới 60-80%). Ngoài ra, bộ nhớ giống như một thư viện lớn, trong đó thời gian tìm kiếm và phân phối cuốn sách cần thiết đôi khi vượt quá thời gian sử dụng nó.

4

Điều thực sự cần thiết là tính bền bỉ của bộ nhớ, tức là khả năng thay thế thông tin nhanh chóng (viết lại). Cuối cùng, nếu những yêu cầu này được đáp ứng thì sẽ tốt hơn nếu có những hệ thống không yêu cầu lượng lớn năng lượng để điều khiển, có độ tin cậy cao, v.v.

Nói chung, các thiết bị lưu trữ có thể được chế tạo dựa trên nhiều nguyên tắc khác nhau: cơ học, âm thanh, điện tử, từ tính, quang học. Nhưng… Các thiết bị bộ nhớ cơ không làm chúng ta ngạc nhiên về tốc độ, mặc dù người phát minh ra tài khoản văn phòng - thiết bị lưu trữ đơn giản nhất - chúng ta phải bày tỏ lòng biết ơn đối với việc thực hiện kỹ thuật đầu tiên nguyên tắc lưu trữ thông tin khủng khiếp, tạo ra một phương tiện phản ứng để ghi âm, v.v. Máy ghi âm có dung lượng, độ tin cậy và không gian lưu trữ khá cao. Nhưng các bản ghi không thuận tiện cho việc lưu trữ máy tính: chúng không có tốc độ cần thiết và dung lượng bộ nhớ rất kém.

Phương pháp từ tính để ghi tín hiệu điện đã được biết đến từ lâu. Nó dựa trên đặc tính của một số vật liệu là “ghi nhớ” từ trường nơi chúng tồn tại. Chắc hẳn nhiều bạn đã từng phải từ hóa móng tay, kim tiêm, kéo, v.v. bằng cách đưa chúng vào một nam châm vĩnh cửu. Và bạn có thể nhận thấy rằng sau đó chiếc kéo sẽ trở thành sắt mịn; đất sét từ hóa có thể dùng làm kim la bàn; và đinh nếu lấy ra khỏi nam châm sẽ nhanh chóng mất đi tính chất từ ​​tính. Không phải mọi vật liệu từ tính đều có khả năng “ghi nhớ” từ trường; nhưng một trong số đó, khoáng chất magnetite, một loại oxit sắt phức tạp, đã được con người biết đến từ hàng nghìn năm nay và được dùng làm vật liệu đầu tiên chế tạo la bàn.

Các hạt nhỏ giống như bùn có khả năng từ hóa đặc biệt tốt - một khi chúng ở trong từ trường, chúng có thể lấp đầy cả cảm ứng và hướng của nó. Nếu một bộ phận từ hóa như vậy được thiết kế giống như một cuộn dây dẫn kín thì một dòng điện cảm ứng sẽ xuất hiện trong nó.

Hoạt động của từ thông dựa trên tính chất này của vật liệu từ tính. Chất mang của các hạt từ tính là một băng nhựa trên đó cố định các hạt bột từ tính hình kim trong một lớp vecni mỏng (chiều dài của các hạt khoảng một micron, đường kính khoảng một phần mười micron). Thay vì cuộn dây dẫn điện, một nam châm điện nhỏ được sử dụng - đầu ghi và phát lại: theo yêu cầu của chúng tôi, nó từ hóa các hạt bột (ghi) hoặc tự từ hóa trường truyền mismo của hạt từ hóa và một dòng điện xuất hiện trong cuộn dây của nó, lặp lại hình dạng của tín hiệu đã ghi trước đó (phát lại).

Máy ghi âm ra đời gần như đồng thời với điện thoại - khoảng một trăm năm trước. Nhưng chất lượng ghi âm tốt chỉ có thể được đảm bảo ở những năm bốn mươi của thế kỷ chúng ta.

Máy ghi âm ngay lập tức tìm được chỗ đứng cho mình trong máy tính. Mỗi hạt bột có thể chứa 1 bit thông tin: hạt từ hóa có thể được gán giá trị 1, hạt không nhiễm từ - 0. Rõ ràng dung lượng và tốc độ của một thiết bị bộ nhớ như vậy phụ thuộc vào độ dài của băng và tốc độ truyền.

Làm lại máy ghi âm cho phép ghi âm nhanh hơn. Thay vì sử dụng băng từ, tín hiệu được ghi trên một đĩa phủ vecni từ tính. Đĩa có đường kính khoảng 0,5 m, quay với tốc độ 100 vòng/giây. Đầu đọc-ghi và bề mặt đĩa không dính vào nhau (nếu không, ở tốc độ như vậy, chúng sẽ trở nên rất nóng do ma sát và sẽ nhanh chóng bị mòn). Đầu di chuyển phía trên đĩa ở khoảng cách chỉ 2-5 micron. Để truyền tín hiệu chất lượng cao, điều quan trọng là khoảng cách này phải không đổi, do đó đĩa không được có các mã nhị phân đáng chú ý. Máy ghi băng đĩa thích không khí trong lành - việc để một hạt bụi có kích thước 3 micron lọt vào khe 2 micron mà mắt thường bạn không thể nhìn thấy sẽ gây ra hậu quả tương đương với việc để một mảnh giấy lớn dưới gầm một chiếc ô tô đua tự động.

Sử dụng đĩa ghi băng, bạn có thể đáp ứng nhu cầu về dung lượng và tốc độ của thiết bị lưu trữ đệm.

Vòng Ferrite - một yếu tố nhắc nhở

Trong bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên, các thành phần bộ nhớ chính đã được

5

mẹ nhẫn. Những chiếc nhẫn như vậy, được làm bằng hợp kim sắt trên bạc hoặc ferit (vật liệu từ tính phi kim loại), có đặc tính ở trạng thái từ hóa dư trong một thời gian dài. Trong trường hợp này, cảm ứng của từ trường trong vật liệu của vòng trùng với hướng cảm ứng của từ trường trong đó vòng bị nhiễm từ và có độ lớn gần bằng độ lớn của nó.

Hãy tưởng tượng rằng chúng ta đã từ hóa một vòng bằng cách truyền một xung dòng điện qua dây từ hóa và truyền một xung dòng điện theo hướng ngược lại qua cuộn dây của vòng thứ hai (Hình 1, a). Khi đó các vectơ cảm ứng của từ trường sinh ra trong các vòng trong quá trình từ hóa sẽ hướng theo các hướng ngược nhau. Một trạng thái có giá trị là 1 và trạng thái kia có giá trị 0. Bây giờ, hãy đặt các xung dòng điện có cực tính bằng nhau vào cả hai vòng. Tuy nhiên (phần trên cùng trong Hình 1, b) sẽ từ hóa lại - trong một thời gian ngắn hướng của cảm ứng từ trường trong vòng sẽ thay đổi theo hướng ngược lại. Sự thay đổi cảm ứng có nghĩa là sự thay đổi từ thông tùy ý ở bất kỳ phần nào của vòng. Do đó, ở cuộn thứ cấp được từ hóa vào vòng - cuộn dây đọc - trong quá trình đảo chiều từ hóa, một lực điện động cảm ứng sẽ xuất hiện. Nếu cuộn dây thứ cấp đóng lại, một xung dòng điện sẽ chạy qua nó - một xung có đơn vị “đọc”. Vì vậy, chúng ta đọc số ghi ở vòng đầu tiên và xóa nó, tức là chúng ta đã hủy thông tin. Còn chiếc nhẫn thứ hai thì sao? Nó không từ hóa lại vì trước đó nó đã được từ hóa theo một hướng nhất định của vectơ cảm ứng. Việc không có xung từ vòng thứ hai cũng là thông tin, nhưng về số 0. Do đó, mỗi vòng là phần lấp đầy cơ bản của thiết bị với xương 1 bit.

Bộ nhớ từ trên lõi vòng hoạt động khá nhanh - thời gian đảo ngược từ hóa của bánh xe là một phần triệu giây. Dung lượng bộ nhớ phụ thuộc vào số lượng bánh xe. Đối với RAM 1 metabit, cần ít nhất một triệu bánh xe và trong một số trường hợp là hơn hai triệu. Có thể theo dõi số lượng bánh xe như vậy, các quy trình này được tự động hóa. Tiếp theo, bạn cần kiểm tra từng bánh xe, vì nếu một trong một triệu bánh xe “nói dối” thì tất cả hệ thống đều vô giá trị. Những chiếc máy được tạo ra đã thử nghiệm tới 5 nghìn bánh xe mỗi giờ, nhưng đây không phải là khó khăn chính.

Các vòng từ trước tiên phải được ghi và đọc các cuộn dây, sau đó được tổ chức thành một số hệ thống để có thể xác định vòng lặp cụ thể nào tương ứng với một bit thông tin nhất định. Một triệu bánh xe với hai cuộn dây tương đương với hai triệu dây điện và bốn triệu điểm tiếp xúc. Hệ thống ma trận xây dựng trí nhớ giúp loại bỏ sự dư thừa này. Chúng tôi xâu hàng chục bánh xe vào một dây, dây này được nối đất dưới dạng dây số (Hình 2). Bây giờ tất cả các vòng có thể được từ hóa bằng một xung và số 0 sẽ được ghi trong tất cả các vòng. Chúng ta sẽ luồn một sợi dây qua mỗi vòng vuông góc với vòng số; Mười dây này là dây phóng điện nối đất. Thiết kế chúng tôi nhận được được gọi là dòng số. Viết số kép 1110001101 vào đó (số này là số gì?

6

trong hệ thập phân?), chúng ta gửi dọc theo dây số một xung có độ lớn bằng một nửa giá trị đảo chiều từ hóa của dòng điện, và một xung tương tự khác đồng thời đi đến các dây phóng điện colcite 1, 2, 3, 7, 8 và 10. Khi các xung cộng lại, các vòng sẽ từ hóa lại; nó không thực hiện điều này ở các vòng 4, 5, 6 và 9. Bạn có thể “đếm” toàn bộ số bằng cách truyền một xung “âm” lớn (đảo ngược từ hóa) dọc theo dây số. Nhưng để nhận và tạo tín hiệu đọc, bạn cần thêm một dây ở mỗi chữ số - một cuộn dây đọc. Vì vậy, đối với mười colcite trên trục số, chúng ta có 21 dây. Mười dòng số, tức là mười số mười hàng, cần có mười dây số. (bit và đọc sẽ giống nhau) - tổng cộng - 31 dây, v.v. Tất nhiên, giống nhau là rất nhiều, nhưng để tạo ra metabit 3U, bạn có thể giới hạn bản thân ở vài trăm dây. Một cái gì đó khác khó khăn hơn.

Giả sử chiếc nhẫn (không phải là nhỏ nhất) có đường kính ngoài 0,6 mm và đường kính trong 0,35 mm. Bây giờ, qua mỗi colcito, cần phải kéo căng ít nhất ba dây có đường kính 0,05 mm theo các hướng khác nhau và lặp lại thao tác này hơn một triệu lần. Loại công việc này giống như khâu bằng hạt (gọi là khâu). Thật không may, không thể thực sự tự động hóa nó, và việc sản xuất thủ công khó khăn hơn và cuối cùng đã thay thế sản xuất và làm tăng chi phí của các thiết bị lắp ráp.

Các mẫu 3U đầu tiên trên các vòng từ, thậm chí cả những vật chứa cần thiết, đều là các khối bộ nhớ theo nghĩa đen của từ này - chúng có thể tích khoảng 1 m³. Vì những lý do hiển nhiên, họ đang cố gắng giảm dung lượng của các thiết bị lưu trữ. Cho đến nay, người ta đã có thể giảm đường kính hư hỏng của các vòng được sản xuất xuống còn 0,25 mm. Bạn có thể tưởng tượng việc này khó khăn như thế nào đối với bài toán phần sụn của họ. Có vẻ như những khó khăn trong việc giảm hơn nữa kích thước lõi vòng là không thể vượt qua, và sự thống trị suốt 20 năm của RAM từ tính sắp kết thúc; Hơn nữa, nhờ những thành công của vi điện tử, RAM bán dẫn đã trở nên hiệu quả hơn so với RAM từ tính, tức là nhỏ gọn hơn và rẻ hơn.

Lúc này, bạn nên tóm tắt lại lịch sử ghi từ và giới thiệu các ô nhớ điện tử. Từ lâu, người ta đã biết rằng từ hai triode, người ta có thể lắp ráp một mạch “hoạt động” ở hai chế độ: với một hướng dòng điện, một triode hoạt động, và chế độ thứ hai bị khóa, và với một hướng dòng điện khác, các triode thay đổi vai trò. Ở một chế độ vận hành, hệ thống có thể được gán giá trị 0, ở chế độ khác - 1. Hệ thống như vậy được gọi là bộ kích hoạt. Những máy tính đầu tiên đã có bộ kích hoạt (hàng nghìn bộ kích hoạt) thực hiện các chức năng của RAM; Nhưng họ không thể chịu được sự cạnh tranh với bộ nhớ từ tính năng lượng thấp, nhỏ gọn hơn, gần như không phát ra, đáng tin cậy.

Các vi mạch bán dẫn 3U hiện đại về cơ bản là các bộ kích hoạt giống nhau, chỉ được giảm xuống kích thước micron. Trên tấm wafer 5x5 mm được làm từ chip bán dẫn, kích thước của thiết bị lưu trữ 200.000 bit bị loại bỏ; tốc độ của 3U như vậy là khoảng 10⁻⁸ s. Về mặt khách quan, chúng tôi lưu ý một nhược điểm rất đáng kể của RAM điện tử: tắt nguồn sẽ xóa tất cả các dữ liệu tích lũy.

7

thông tin mới. Trong nhiều trường hợp, nhược điểm này có thể chấp nhận được, nhưng đôi khi, chẳng hạn như trong quân sự hoặc công nghệ vũ trụ, nó trở thành một trở ngại nghiêm trọng.

Chạy bong bóng từ tính

Khoảng mười lăm năm trước, các mẫu 3U thử nghiệm đầu tiên đã xuất hiện với thiết kế tích hợp, kết hợp những ưu điểm của ghi từ tính với hiệu quả của công nghệ vi điện tử. Các thiết bị này sử dụng miền từ tính được gọi là miền 3U. Miền là các vùng (thể tích) dễ uốn của một chất từ ​​tính (ví dụ: sắt), mỗi chất này được từ hóa hoàn toàn một cách tự phát. Các vectơ cảm ứng của từ trường cách nhau bởi các miền khi không có từ trường bên ngoài được định hướng sao cho toàn bộ mẫu được khử từ.

Việc sử dụng cái gọi là miền từ hình trụ hóa ra lại hứa hẹn hơn nhiều trong việc tạo miền miền 3U. Lịch sử của chúng sẽ bắt đầu vào cuối những năm 50, khi các miền có hình dạng cụ thể được phát hiện trong một số vật liệu từ tính, lấp đầy các bong bóng khí ở mức độ của một người thợ mộc. Vì vậy, những miền này thường được gọi là bong bóng từ tính. Tuy nhiên, sự quan tâm đặc biệt đến các lĩnh vực này chỉ bắt đầu được thể hiện sau khi một bài báo của nhà vật lý người Mỹ Andrew Bobek xuất hiện vào tháng 10 năm 1967, trong đó ông lần đầu tiên chỉ ra triển vọng hấp dẫn của việc sử dụng chúng để tạo ra một thiết bị lưu trữ và xử lý thông tin. (Đáng chú ý là bản thân Bobek không phải là chuyên gia trong lĩnh vực vật lý hiện tượng từ tính mà làm việc trong lĩnh vực công nghệ máy tính.)

Bong bóng từ tính có thể xuất hiện ở dạng tấm mỏng hoặc màng của một số tinh thể từ tính. Ở trạng thái ban đầu (khử từ), cấu trúc miền của một lớp tinh thể mỏng như vậy bao gồm một số miền bằng nhau có hướng từ hóa ngược nhau - các vectơ cảm ứng của từ trường của các miền riêng lẻ được phân phối lại trên mặt phẳng của lớp và được hướng theo các hướng ngược nhau.

Hình 3, a cho thấy cấu trúc từ tính của tinh thể ở trạng thái khử từ, được gọi là cấu trúc miền mê cung (symmock được chế tạo dưới microsop). Vùng tối và vùng sáng là miền có cực khác nhau. Và các bức ảnh 3, 6-e được chụp trong quá trình từ hóa tinh thể bằng từ trường, cảm ứng của nó hướng theo hướng quan sát được. Khi cảm ứng của trường bên ngoài tăng lên, các miền có từ hóa hướng dọc theo trường sẽ phát triển và ngược lại, các miền hướng ngược lại với trường sẽ thu hẹp lại. Trong một số phạm vi của trường bên ngoài, tàn dư của các miền từ hóa “bất lợi” trước tiên bị co lại thành hình elip và sau đó thành các “bong bóng” hình tròn. Các khu vực của tinh thể bị chiếm giữ bởi các bong bóng từ tính, kết hợp vuông góc với mặt phẳng của màng hoặc tấm, có một loạt các hình trụ “bụng chậu”. Vì vậy, miền còn được gọi là hình trụ. Sự gia tăng hơn nữa cảm ứng của trường bên ngoài dẫn đến giảm đường kính của “bong bóng” và ở một số giá trị tới hạn của cảm ứng $B_0$ “bong bóng” sụp đổ, hoặc, như người ta nói, hủy diệt các miền từ hình trụ (CMD) bằng cách đảo ngược từ hóa nhảy đến trạng thái tương tự mà phần chính của tinh thể tồn tại. Nếu cảm ứng của trường áp dụng cho tấm, trong đó đã có CMD, bị giảm, thì tại các giá trị nhất định của trường, hình dạng của các miền bắt đầu biến dạng - chúng trở thành hình elip và sau đó biến đổi

8

thành các miền sọc thông thường có cấu trúc mê cung.

Vì vậy, các miền hình trụ có thể được tạo mầm (được tạo ra) bằng cách cho mẫu tiếp xúc với một từ trường xung, ví dụ, sinh ra khi một xung dòng điện chạy qua một vòng quay. Bằng cách truyền một xung lực có tính phân cực theo nghĩa bóng, CMD có thể bị phá hủy. Sự hiện diện hay vắng mặt của tấm từ miền hình trụ tại một điểm nhất định tương đương với thông tin 1 hoặc 0 tại điểm đó.

Các miền hình trụ có một đặc tính tuyệt vời khác - chúng có thể được trộn lẫn xung quanh tấm. Chúng di chuyển khá nhanh, đôi khi nhanh bằng máy bay phản lực, với tốc độ lên tới 500 m/s. Thuận tiện nhất là trộn CMD với từ trường, vectơ cảm ứng của nó nằm trong mặt phẳng của tấm. Để tạo cho chuyển động của chúng có tính định hướng, có tổ chức, các hành lang từ tính đặc biệt được hình thành trong tấm, trong đó chỉ các miền mới có thể di chuyển. Chuỗi chuyển động của CMD được đưa vào hành lang này như một tổng thể duy nhất, khoảng cách giữa các miền lân cận không thay đổi trong quá trình di chuyển. Không giống như băng từ, trong trường hợp này chuỗi thông tin được đặt trong môi trường từ tính cố định.

Nếu đường từ (hành lang) được đóng thành một vòng, thì kết quả sẽ tương tự như vòng của băng từ hoặc đường của ổ đĩa từ, điểm khác biệt duy nhất là trong vòng CMD hoàn toàn không có bộ phận chuyển động nào và kích thước của toàn bộ vòng là phân số của milimet.

Để có một sự tương tự hoàn chỉnh, hãy đặt trên rãnh DCM vòng (xem Hình 4) một trình tạo miền (nó sẽ đóng vai trò như một đầu ghi), một bộ hủy DSD (đối với một trang thông tin đã ghi) và cuối cùng là một loại cảm biến nào đó phát hiện sự truyền qua của từng mismo DMD bằng tín hiệu điện. Cảm biến sẽ thực hiện chức năng của đầu đọc từ thông. Từ trường có vectơ cảm ứng quay trong mặt phẳng tấm với tốc độ cao (100 400 kHz) sẽ đảm bảo lưu thông thông tin trên đường vành đai. Khi trường này bị tắt, nam châm vĩnh cửu bên ngoài sẽ duy trì tất cả các miền ở trạng thái ổn định và theo thứ tự như nhau. Dung lượng của một bản nhạc có thể lên tới hàng trăm kilobit; trên một tấm có kích thước 10x20 mm, bạn có thể đặt vài chục hoặc hàng trăm rãnh.

Kích thước vi mô của CMD (lên tới 0,5 micron hoặc nhỏ hơn), các đặc tính độc đáo của chúng giúp tạo ra các thiết bị có tốc độ thông tin cao hơn với kích thước nhỏ và mức tiêu thụ năng lượng thấp, bảo toàn thông tin được ghi ngay cả khi tắt nguồn. Điều đáng chú ý là hầu hết tất cả các công nghệ sản xuất thiết bị lưu trữ dựa trên MD kỹ thuật số trên thực tế đã sẵn sàng - đây là những công nghệ mạch bán dẫn khoảng cách lớn (LSI). Do đó, 3U như vậy đã phát triển với tốc độ chóng mặt và hiện nay về cơ bản đã có các vi mạch tốc độ cao với mật độ bộ nhớ 10^7 bit/cm2 và dung lượng lên tới 10^8 bit, chiếm dung tích dưới một lít, chấp nhận được về giá cả và mức tiêu thụ năng lượng cho quản lý.

3U trên MD kỹ thuật số có thể tìm thấy ứng dụng cho một thiết bị có kích thước khổng lồ trong quá trình truy cập thông tin giữa 3U hoạt động (trên lõi ferit hoặc IC bán dẫn) với tốc độ cao (10^-8—10^-6 giây) và 3U bên ngoài có dung lượng lớn hơn (trên băng và đĩa từ) với tốc độ tương đối thấp (10^-3 giây). Điều này giúp tăng hiệu suất của các máy tính hiện đại, vì ngày nay khoảng 80% thời gian của máy tính được dành cho việc trao đổi thông tin giữa RAM và bộ nhớ ngoài. Ngoài ra, 3U trên CMD là vô song khi làm việc trong điều kiện khắc nghiệt, chẳng hạn như trong thiết bị điện trên tàu vũ trụ, trong thiết bị quân sự, những nơi cần tăng độ tin cậy.

(Cuối cùng xem trang 18)