13.2 Енергозалежні устрої пам'яті
Устрої, що запам'ятовують, можна побудувати на різноманітних принципах: механічному, електронному, акустичному, магнітному, тощо. Але механічні ЗУ не влаштовують ЕОМ по швидкодії. Досить високу ємність і надійність мають грамплатівки, проте для ЗУ ЕОМ вони мало придатні: немає потрібної швидкодії і відсутня реверсивність пам'яті.
Не влаштовує сучасний рівень розвитку ОТ і пам'ять на тригерах. Незважаючи на малий час звертання (порядку часток МКС), тригерна пам'ять має істотний недолік, тому що для створення більш ємної пам'яті прийшлося б використовувати величезну кількість елементів. Пошуки більш досконалих і ефективних засобів запам'ятовування призвели до створення нових типів ЗУ, що використовують різноманітні фізичні принципи. Розглянемо деякі з них.
ЗУ на лініях затримки. - це устрої, виконані у виді замкнутих контурів із зворотним зв'язком. Перші з них ЗУ на ртутних трубках. Вони представляють із себе (рисунок 3) металеві, наповнені ртуттю трубки, із двох сторін закриті кристалами кварцу. Інформація, що підлягає збереженню підводиться до входу лінії затримки у виді послідовних імпульсів, під дією яких кристал 1 коливається і породжує в ртуті пружні хвилі, що через якийсь час з'являються в приймальному кристалі 2, який аналогічно мікрофону знову перетворює механічні коливання в електричні, і імпульси з кінця лінії через підсилювач подаються знову до її входу. Таким чином, утворюється замкнуте кільце, по якому інформація може циркулювати як завгодно довго. У ртутній трубці довжиною біля 1 мм. може одночасно зберігатися до 1000 імпульсів.
Рисунок 3. ЗУ на ртутних трубках.
Лінія затримки подібно до розглянутої, також будується з використанням явища магнітострикції, що базується на спроможності феромагнітних матеріалів (заліза, нікелю, кобальту та ін.) змінювати свої розміри при намагнічуванні. Магнітострикційна затримка складається з металевого стержня з витками катушок на кінцях. Електромагнітні коливання, що виникають при проходженні імпульсів через витки, викликають механічні коливання, котрі на іншому кінці стержня знову перетворюються в електромагнітні коливання й імпульси.
Пам'ять, що складається з ліній затримки можна назвати динамічною, тому що інформація тут знаходиться в безупинному русі. З такої пам'яті імпульси можуть бути зчитані тільки в моменти виходу з лінії і проходженні через підсилювач. Час пошуку потрібного імпульсу дорівнює часу проходження хвилі уздовж лінії. Так для лінії затримки довжиною 1 мм. цей час складає приблизно 1 мілісекунду, що навіть у порівнянні з часом спрацьовування тригера дуже повільно. Періодичність вибірки інформації – основний недолік цих устроїв, що обмежує швидкодію машин, і робить практично неможливим застосування ЗУ на лініях затримки в ЕОМ більш нових моделей.
На зміну їм прийшли устрої на електронно-променевих трубках (ЕПТ), що відразу стало можливим багатократне збільшення швидкостей: час звертання в них складає мікросекунди. Принцип роботи такого ЗУ такий. Потік електронів, що падає на діелектричний екран, вибиває в місці влучення вторинні електрони, а заряд, що утворюється на при цьому на поверхні ЕПТ розтікається повільно і тому може бути збережений якийсь час. Інформація, у такий спосіб зберігатися у виді зарядів, що утворять потенційний рельєф на діелектричній поверхні екрану. Зчитування інформації здійснюється шляхом прямування пучка електронів у задану точку (комірку) екрана і фіксації діелектрика. Загальна ємність таких ЗУ залежить від того, на скільки елементарних осередків розбито екран. Слід зазначити, що поряд з істотним підвищенням швидкодії ЕОМ і можливістю рівнобіжної роботи передачі й опрацювання інформації, ЗУ на ЕПТ хитливі в роботі, тому що вони громіздкі і дорогі, а також енергозалежні.
Пам'ять на магнітних сердечниках. Сердечник (рисунок 4) представляє собою маленьке феритове кільце з обмоткою, котре має широку, майже прямо кутну петлю гістерезису.
Рисунок 13.4 Магнітний сердечник і його характеристика намагнічування
Під впливом керуючих імпульсів току, що подаються на вхідну намагнічуючу обмотку , феритовий сердечник за мільйонні частки секунди змінює свій магнітний стан. В одному з двох станів він може перебувати доти, поки не поступить новий сигнал. Наприклад, якщо сердечник не був намагнічений і на його витки поданий імпульс току, то його магнітна індукція В різко зросте (крива 1). При напруженості Нмах з'явиться насичення сердечника й індукція, досягнувши значення Вмах практично змінюватися не буде. При зміні напрямку току, перемагнічування піде по кривій 2 до – Вмах. При новій зміні напрямку току перемагнічування - піде від – Вмах по кривій 3. Сердечник має деяку залишкову намагніченість, що характеризується точками – В2 і В2 (точки залишкової індукції). Прямокутність петлі гістерезису визначається відношенням В2/Вmax. Чим ближче це відношення до одиниці, тим вище прямокутність, тим сильніша в сердечника пам'ять. Форму петлі гістерезису характеризує і розмір поля НС, при якому залишкова намагніченість дорівнює нулю, тобто В=0. Це поле зветься коерцитивним (затримуючим) або коерцитивною силою. Звідси випливає, що для перемагнічування сердечника необхідно створити поле ННс, а при ННс перемагнічування не буде. ЗУ на феритових сердечниках працює досить швидко (частки мкс.). Крім того, цей устрій не пов'язаний із механічним переміщенням і чеканням підходу потрібних даних. Такий устрій і став виконувати функції ОЗУ в ЕОМ трьох перших поколінь. Ємність такої пам'яті залежить від числа сердечників. Для ЗУ на 1 мегабіт потрібно, наприклад, не менше мільйона кілець – це два млн. дротів і 4 млн. контактів. Позбутися від цього допомагає матрична система побудови ЗУ, у якій із кілець лишають спеціальні решітки (матриці) пам'яті, що потім збирають у пакети.
Пам'ять на магнітних плівках заснована на тому, що для перемагнічування плівок потрібна набагато менша енергія, чим для феритових сердечників. Сутність методу полягає в тому, що запис інформації відбувається двома полями, одне з яких спрямовано по осі легкого намагнічування (ОЛН), а друге –в перпендикулярному йому напрямку – по осі тяжкого намагнічування (ОТН).
Одна зі схем показана на рисунку 5. Елемент складається з напиленої на підложку феритової плівки 1 і трьох шин: розрядної 2, числової 3, і зчитування 4. Поле числової шини паралельно ОЛН, а розрядної – паралельно ОТН. При записі інформації імпульс пропускається через розрядну шину, намагнічуючи плівку уздовж ОЛН. При зчитуванні імпульс току подається в числову шину. Магнітне поле цього току, повертає вектор намагніченості на деякий кут, зменшує магнітний потік уздовж ОЛН, наводить у шині зчитування відповідний сигнал.
Рисунок 13.5 ЗУ на магнітній плівці
Крім розглянутих, широке застосування одержали ЗУ на циліндричних магнітних плівках, напівпровідникові інтегральні пристрої, оптичні із застосуванням лазера, оптронів і голографічні.
Особливо слід зазначити ЗУ на понадпровідниках; фізика яких заснована на тому, що у деяких металів і сплавів при низьких температурах раптово, стрибком зникає електричний опір. Ідея використання надпровідності для запису інформації в ЕОМ має давню історію. Ще в 50 – х роках були розроблені понадпровідні елементи пам'яті – кріотрони. Принцип їхньої дії заснований на тому, що магнітне поле руйнує надпровідність. Замкнуте кільце зі понадпровідника може знаходитися в двох стійких станах: по ньому циркулює незатухаючий струм, що відповідає стану надпровідності, і при вмиканні магнітного поля надпровідність руйнується, а кільце переходить у нормальний стан. Так можна записати 0 і 1, тобто створити елемент пам'яті. Проте, виявилося, що час переключення кріотронів не може бути менше 10-8... 10-9с., а це не така вже мала величина. Крім того, необхідно охолоджувати систему до дуже низьких температур, тому пам'ять на кріотронах, незважаючи на усі її переваги – усе ж тупікова гілка в еволюції ЕОМ. Подальший прогрес у справі створення швидкодіючих понадпровідників пов'язаний з ім'ям англійського фізика Джозефсона. Ще в 1962 році, будучи дипломником, він відкрив ефект, названий його ім'ям. Суть ефекту зводиться до тому, що постійний струм протікає через понадпровідник без напруги, навіть якщо його розрізати на дві частини і помістити між ними діелектричний прошарок мікронної товщини, тобто зробити в понадпровіднику вузьку поперечну щілину. В області цього зазору, як виявилося, формується своєрідний перехід, названий тунельним переходом Джозефсона. Поки струм не перевищує деякого критичного значення Iк, уся система є понадпровідною і має нульовий опір. При перевищенні струму Iк, або при дії на перехід хоча б слабкого магнітного поля, на переході виникає різниця потенціалів. Отже, перехід Джеферсона може знаходитися в двох станах, зумовлених наявністю або відсутністю напруги і відповідних 1и 0. Такі кріотрони мають час переключення 10-10... 10-21с.