Коллектив Авторов - Цифровой журнал «Компьютерра» № 77

Форма петли магнитного гистерезиса различных магнитно-твердых и мягких ферромагнетиков

Бобек начал эксперименты с пермаллоем. Благодаря своим физическим свойствам, этот сплав легко раскатывался в очень тонкую фольгу, не теряя при этом своих магнитных свойств. И Бобеку пришла в голову идея: почему ячейки в магнитной памяти должны быть именно в виде колец? Ведь кольцеобразные структуры можно получить, просто навив фольгу из пермаллоя на несущий провод под необходимым для правильного намагничивания углом в сорок пять градусов. Бобек назвал такой провод твистор-кабелем, в честь модного в то время кручу-верчу танца твист (twist по-английски — «кручение»).

Навив подобным образом ленту пермаллоя на достаточно длинный провод, его можно будет свернуть так, чтобы создать зигзагообразную матрицу параллельных twistor-кабелей. Теперь эту мартицу можно запаковать, например, в полиэтиленовую пленку, и массив пермаллоевых псевдоколец продетых через один из несущих проводов уже есть. Второй провод Бобек предложил заменить медной шиной, на который укладывался запакованная в полиэтилен матрица твистор-кабелей. На пересечениях шины и твистор-кабеля располагались небольшие постоянные магниты, поддерживающие необходимое магнитное поле.

Предложив заменить магнитные кольца твистор-кабелем, Бобек, фактически, решил проблему создания сколь угодно больших по объему массивов памяти. Ведь длинную полиэтиленовую ленту, с впаянными в нее твисторами, можно компактно свернуть гармошкой, перемежая слои медными шинами.

Уникальной особенностью твистор памяти явилась возможность чтения или записи целой строки пермаллоевых псевдоколец, находящихся на параллельных твистор-кабелях, проходящих над одной шиной. Это существенно упрощало конструкцию модуля твистор памяти по сравнению с памятью на кольцах, лишая её дополнительных проводов запрета.

Правда, без ферритовых колец в твистор памяти не обошлось. Закрепленные на каждой из медных шин, они играют роль соленоида, передающего индукционный ток на адресные кабели, идущие к центральной шине ЭВМ.

Вот так, используя удивительные свойства пермаллоя, инженер Бобек разработал одну из самых эффективных модификаций магнитной памяти того времени. Идея твистор памяти настолько сильно впечатлила руководство Bell Labs, что на ее комерциализацию были брошены внушительные силы и средства.

Очевидные выгоды, связанные с экономией средств на производство твистор ленты (её, в прямом смысле этого слова, можно было ткать), перевесили исследования в смежных областях развития систем памяти. Например, в области использования полупроводниковых элементов. Появление полупроводниковой оперативной памяти, которая была ни сколь не хуже по потребительским качествам, а в производстве стоила в разы дешевле, стало для телефонного гиганта громом среди ясного неба. Тем более, что AT&T была как никогда близка к заключению выгоднейшего контракта с военно-воздушными силами США на поставку модулей твистор памяти для их системы противовоздушной обороны Nike Ajax. Да и сама телефонная компания активно внедряла новый вид памяти в своей системе коммутации TSPS (Traffic Service Position System).

Агрессивное наступление по всем фронтам полупроводниковой памяти, её микроминиатиризация на основе отработанного цикла создания интегральных микросхем, а также простота внедрения в уже существующие микропроцессорные решения (наработки все той же Intel сделало историей не только свежеразработанную твоистор память, но и память на магнитных сердечниках в целом.

Конечно, твистор память применялась в ряде проектов AT&T почти до середины восьмидесятых годов прошлого столетия. Но это была, скорее, агония, чем прогресс.

Впрочем, один положительный момент от разработки твистор памяти все же имелся. Исследуя магнитострикционный эффект в сочетаниях пленок пермаллоя с ортоферритами (ферритами на основе редкоземельных элементов), инженер Бобек подметил одну их особенность, связанную с намагничиванием. Особенность, которая привела к разработке удивительной пузырьковой памяти (bubble memory). Той самой, что устанавливалась у прадедушке ноутбуков GRiD Compass 1101.

О пузырьковой памяти и современном применении изобретения инженера Бобека читайте во второй части статьи.

К оглавлению

Опубликовано 14 июля 2011 года

Это продолжение статьи. Начало читайте здесь.

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.