Две памяти инженера Бобека (часть 2) Евгений Лебеденко, Mobi.ru
Две памяти инженера Бобека (часть 2)
Евгений Лебеденко, Mobi.ru
Опубликовано 14 июля 2011 года
Это продолжение статьи. Начало читайте здесь.
Bubble memory. Укрощение строптивого... магнитного поля
Неудачи с твистор памятью не сломили исследовательский дух Эндрю Бобека. Тем более, что магнитная природа вещества продемонстрировала ему интереснейшее явление, не применить которое в практических целях было бы величайшей оплошностью.
Все началось с череды опытов, которые Бобек проводил со своим любимым пермаллоем в сочетании с ферромагнитными материалами на основе редкоземельных элементов. Бобек, в частности, экспериментировал с гадолиний галлиевым гранатом (Gadolinium Gallium Garnet — GGG), используя его в качестве подложки для тонкого листа пермаллоя. Он выяснил, что в полученном сэндвиче при отсутствии магнитного поля области намагничивания располагаются в виде доменов разнообразной формы. Ничего нового в этом не было. Разбиение магнитного поля ферромагнетиков на макроскопические области (домены), обладающие спонтанной намагниченностью, была предсказана еще в 1907 году французским физиком Пьером Вейссом. Бобек пошел в своих исследованиях дальше и посмотрел, как будут вести себя такие домены в магнитном поле, имеющем перпендикулярное направление областям намагниченности пермаллоя. К его удивлению с увеличением силы магнитного поля домены собирались в компактные области. Бобек назвал их «пузырьками» (bubbles).
Так под воздействием внешнего магнитного поля формируются в тонком листе пермаллоя пузырьки-домены
Индукционно воздействуя на пузырьки электрическим током, инженер заставил их двигаться по поверхности листа пермаллоя. Пытливый ум Бобека заметил и другую особенность. Участки пермаллоя особой формы способны были отклонить движение пузырьков в предсказуемом направлении. Экспериментируя с формой таких участков, Бобек нашел оптимальную для управления пузырьками-доменами форму, похожую на шеврон (нарукавный знак военных).
Именно тогда и сформировалась идея пузырьковой памяти, в которой носителями логической единицы были домены спонтанной намагниченности в листе пермаллоя — пузырьки. Поскольку Бобек научился двигать пузырьки по поверхности пермаллоя, он придумал остроумное решение по чтению информации в своем новом образце памяти. Если в традиционных магнитных накопителях головки чтения/записи двигались над поверхностью магнитного слоя, отыскивая нужный участок, или, в случае магнитной ленты, последняя механически протягивалась вдоль неподвижных головок, то в новой памяти Бобека вообще не было движущихся компонентов. Неподвижные головки чтения ожидали, пока магнитный пузырек к ним «приедет» самостоятельно, управляемый электрическим полем. Отклонить его в нужном направлении помогала система пермаллоевых «шевронов».
Схема работы 100637-битного модуля пузырьковой памяти
Электрический заряд над особым участком листа пермаллоя, называемым генератором, непрерывно создавал магнитные пузырьки — логические единицы, которые начинали двигаться по основному кольцу. Таким образом формировался непрерывный поток логических единиц. Кодирование информации происходило с помощью аннигилятора пузырьков, который «выбивал» в потоке логических единиц дыры — логические нули. Двигаясь по основному кольцу, поток пузырьков достигал нескольких вторичных колец-хранилищ, в которых часть пузырьков, перемежающихся нулями оставалась на хранение, постоянно циркулируя. Например, на рисунке показана работа модуля пузырьковой памяти, хранящего 100637 бит информации в 157 вторичных кольцах, каждое из которых хранило по 641 пузырьку.
Было предложено и остроумное решение по считыванию информации из уже заполненных колец-хранилищ. «Выгнав» пузырьки из нужного вторичного кольца, контроллер электрической обмотки двигал их по главному кольцу до так называемого дупликатора — системы «шевронов», разделяющих пузырек на два клона. Один из этих клонов по главному кольцу снова возвращался в свое вторичное кольцо-хранилище, а второй двигался к детектору, содержащему обмотки, в которых наводился индукционный ток, передаваемый по адресной шине ЭВМ как логическая единица.
Идея была настолько простой и изящной, что после того как Бобек получил на нее патент, право на использование эффекта пузырьковой памяти приобрели почти все ключевые игроки компьютерных комплектующих того времени и даже исследовательские лаборатории таких солидных контор, как NASA.
Типовой модуль пузырьковой памяти изнутри
Экспериментируя с формой «шевронов», качеством сплава пермаллоя и редкоземельной подложкой, они в достаточно быстрые сроки создали собственные модули пузырьковой памяти объемом от шестидесяти килобайт до четырех мегабайт.
Микрофотография пермалоевых «шевронов» в чипе пузырьковой памяти, разработанным NASA
К уникальной особенности пузырьковой памяти — полнейшему отсутствию движущихся частей, добавилось еще одно немаловажное свойство — противостояние электромагнитному импульсу или жесткому космическому излучению, которые фатально воздействует на память полупроводниковую. Именно поэтому пузырьковой памятью, в первую очередь заинтересовались военные и разработчики космических аппаратов.
Схема подключения модуля пузырьковой памяти к шине материнской платы ЭВМ, разработанная компанией Intel
Несколько модулей пузырьковой памяти, смонтированные на плате расширения ISA
Основным недостатком пузырькового детища Бобека было низкая скорость чтения/записи, составлявшая от десяти до пятидесяти миллисекунд. Составить конкуренцию оперативной памяти пузырьки не могли, зато с тогдашними жесткими дисками они серьезно конкурировали. И проиграли только тогда, когда технология производства последних в сочетании с повышением скоростью чтения/записи в них стали оптимальными для массового рынка.
Итак, второе изобретение Бобека тоже стало историей. Или нет?
Racetrack memory. Магнитное будущее компьютерной памяти
Конечно же нет. Способ направленного перемещения магнитных доменов в слое пермалллоя никогда не давал покоя исследователям, старавшимся улучшить потребительские характеристики такого перспективного вида памяти.
И кажется инженерам из лаборатории IBM Research, возглавляемым Стюартом Перкиным это удалось.
Их перспективный вид памяти, которую они красноречиво именуют Racetrack Memory является удивительной комбинанией идей инженера Бобека и современных нанотехнологий.
Как и в случае пузырьковой памяти Бобека, в Racetrack Memory магнитные домены-единицы движутся внутри пермаллоя, но изготовлен он в виде тончайшего нанопроводника. На этот изогнутный подковой проводок подается ток, заставляющий домены мчаться мимо головок чтения записи, расположенных в основании подковы. Меняя магнитную полярность, исследователи заставили двигаться записанную информацию вдоль проводника, обеспечивая невероятную скорость чтения и записи — единицы наносекунд.
Модуль Racetrack Memory будет представлять собой массив таких нанопроводников, каждый из которых сможет хранить определенное количество бит информации в виде магнитных пузырьков-доменов.
В настоящее время Racetrack Memory все еще исследовательская разработка, о которой, однако, говорят как о вполне коммерческой перспективе в области систем хранения данных с произвольным доступом.
Вот так открытие инженера Бобека, сделанное им в шестидесятых годах прошлого столетия, обрело новую жизнь в двадцать первом веке. Настоящая наука не терпит вакуума идей.
К оглавлению