Глава 8. ВЗУ на ЦМД-содержащих материалах |
139 |
Глава 8. ВЗУ НА ЦМД-СОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛАХ
8.1. Принципы возникновения цилиндрических магнитных доменов
Увеличение объемов информации, обрабатываемой и хранимой в вычислительных комплексах различных назначений, привело к возникновению подсистем внешней памяти, построенных на основе отдельных запоминающих устройств, общая емкость которых может достигать 100 млрд. байт. К надежности и достоверности работы вычислительных комплексов, используемых в ряде отраслей, таких как авиация, космонавтика, система ПВО, атомная энергетика, медицина, предъявляются повышенные требования, так как отказы отдельных компонентов приводят к большим экономическим потерям или к катастрофическим последствиям.
Большая доля сбоев и отказов приходится на внешнюю память, в то же время затраты на ее реализацию и эксплуатацию порой достигают половины стоимости всего вычислительного комплекса.
Наименее надежным узлом электромеханических ВЗУ является механизм продвижения магнитного или оптического, магнитооптического носителя - дисковод либо лентопротяжка. Переход к принципиально новой элементной базе внешних ЗУ, в которых отсутствуют механизмы продвижения носителя, позволил достичь более высоких показателей надежности функционирования, меньшего токопотребления, энергонезависимости и малых габаритных размеров. Такой элементной базой, выполняемой по новой технологии, являются ЗУ на основе микросборок интегральных схем, в которых носителем информации в форме цилиндрических магнитных доменов (ЦМД) является доменосодержащий материал.
ЦМД представляют собой изолированные однородно намагниченные области магнетика в форме круговых цилиндров, направление вектора намагниченности в которых противоположно направлению намагниченности остальной части магнетика. С помощью интегральных функциональных элементов (генераторов, репликаторов, детекторов, аннигиляторов, переключателей) а также доменопродвигающих структур и катушек вращающегося магнитного поля информационные биты в форме ЦМД, захваченных в так называемые доменные “ловушки”, образованные доменными стенками, записываются, продвигаются, считываются и стираются. Известны также немеханические магнитооптические ЗУ на ЦМД и логические элементы и устройства на ЦМД.
В рассмотренных выше главах в накопителях на магнитных и магнитооптических носителях информационные биты были представлены намагниченными в том или ином направлении участками поверхности магнитных материалов - магнитными отпечатками. Магнитный отпечаток представлял собой совокупность сориентированных в одном направлении плоских магнитных доменов, разделенных между собой доменными стенками. В каждом домене вектор намагниченности ориентирован вдоль оси легкого намагничивания (ОЛН). ОЛН - направление, для намагничивания вдоль которого затрачивается наименьшая работа. Это является следствием магнитной анизотропии кристаллов.
Глава 8. ВЗУ на ЦМД-содержащих материалах |
140 |
Для создания ЦМД на практике используются нанесенные на подложку тонкие плоскопараллельные пластины - пленки (толщиной от 1 до 100 мкм) магнитных материалов с наведенной в процессе изготовления анизотропией, обладающие малой остаточной индукцией порядка 0,01 - 0,02 тесла. Это монокристаллические магнетики (ортоферриты, магнитоплюмбиты, феррит-гранаты), либо аморфные сплавы магнетиков с единственной ОЛН, направленной перпендикулярно поверхности тонкой пленки. Эти материалы отличны друг от друга по показателям диаметра ЦМД и максимально возможной скорости его перемещения с тем, чтобы домен не отстал от ловушки и не растекся. Так, у гексаферритов диаметр ЦМД сравнительно мал, но мала и скорость перемещения; у ортоферритов скорость перемещения выше, но диаметр ЦМД велик. Оптимальным является феррит со структурой граната - гадолино-галлиевый гранат, содержащий ЦМД малого диаметра и позволяющий осуществлять управление передвижением доменов с большой скоростью. Это способствует микроминиатюризации ЦМД-кристаллов и повышает плотность информации, достигающую 500 Кбайт. Конечно, эта емкость значительно ниже, чем у микросхем памяти для ОЗУ, рассмотренных ранее, но ЦМД-микросхемы идут вне конкуренции в специальных применениях ввиду хранения информации без питания, а главное, благодаря высокой радиационной стойкости.
В одноосном материале возникает лабиринтная, или полосовая структура (рис. 8.1, а) из соединившихся между собой доменов. Стрелками обозначены направления векторов намагниченности. Если к такой пленке приложить внешнее магнитное поле Hz, направленное перпендикулярно поверхности (рис 8.1, б) в направлении, совпадающем с направлением ОЛН, называемое полем смещения Hсм , то размеры доменов, направление намагниченности которых совпадает с направлением действия этого магнитного поля, будут увеличиваться за счет доменов с противоположной намагниченностью. Увеличивая напряженность приложенного магнитного поля смещения до некоторого определенного значения, можно добиться того, что полосовые магнитные домены исчезнут полностью, превратившись в устойчивые ЦМД. Этот процесс получил название генерации, зарождения ЦМД. Диаметр ЦМД в зависимости от материала составляет теоритически 1 - 3 мкм, реально достигнуто значение 50 мкм. Этот эффект был открыт в 1967 году американским ученым Бобеком, на его основе создавались первые ЦМД ЗУ, названные “пузырьковой“ памятью (buble memory). При дальнейшем наращивании напряженности поля смещения происходит утоньшение и исчезновение доменных стенок, вся пленка становится однороднонамагниченной в направлении приложенного поля смещения и ЦМД исчезают, аннигилируют.
ОЛН
z
y
Нz
x
а) |
б) |
Рис. 8.1. Структура ЦМД-содержащего материала: а- полосовая структура; б - ЦМД-структура
Глава 8. ВЗУ на ЦМД-содержащих материалах |
141 |
8.2. Организация продвижения ЦМД
Важной особенностью ЦМД является способность перемещаться в объеме ферромагнетика. Именно на способности домена к перемещению без разрушения основывается применение ЦМД в вычислительной технике для создания сдвиговых регистров памяти, являющихся главными элементами накопителей информации в немеханических ВЗУ на ЦМД. Для перемещения ЦМД используются токовые и/или ферромагнитные аппликации на поверхности доменосодержащей пленки в форме, напоминающей буквы С, Т, Y, I, X и другие, так называемые шевроны, расположенные друг за другом в виде дорожек - каналов продвижения ЦМД, доменопродвигающих структур (ДПС). На рис. 8.2 приведены некоторые типы конфигураций ДПС, а на рис. 8.3 - T-I - образная доменопродвигающая структура. В режиме хранения в этой ДПС будет храниться записанная информация и ДПС в этом случае играет роль регистра последовательного действия. Плотность информации достигает значений 10 9 бит на квадратный сантиметр.
Y-I - образная |
|
шевронная |
|
зигзагообразная |
Рис. 8.2. Типы конфигурации доменопродвигающих структур |
||||
|
+ |
|
+ |
Мупр |
+ |
- |
+ |
- |
+ |
- |
- |
- |
- |
+ |
- |
+ |
- |
+ |
|
- |
|
- |
- |
+ |
- |
+ |
+ |
|
+ |
|
-
+Мупр
+ - |
+ - |
+ - Мупр |
Рис. 8.3. Функционирование T-I-образной ДПС под действием управляющего поля
Глава 8. ВЗУ на ЦМД-содержащих материалах |
142 |
Материал аппликаций ДПС - пермаллой, алюминий. Здесь используется свойство тонкой магнитной пленки увеличивать коэрцитивную силу магнитного материала Hс при нанесении на него аппликаций. Домены легче локализуются, не растекаются под шевронами аппликации и легче перемещаются, так как тонкая магнитная пленка получает участки с различной коэрцитивной силой под шевронами ДПС и между ними, образуя магнитостатическую ловушку, которая захватывает ЦМД.
Самый простой способ управления движением вперед или назад по каналу продвижения при помощи магнитостатической ловушки заключается в пропускании электрического тока по проводящим шинам или контурам, прилегающим к тонкой пленке. Возникающая бегущая волна перемещает захваченный в ловушку ЦМД. Достоинством этого способа является возможность добиться высокого быстродействия, недостатком же является большое количество электрических соединений, приводящее к низкой технологичности и высокая потребляемая мощность, порядка 10 мкВт/бит.
Поэтому большая часть устройств на ЦМД управляется при помощи пермаллоевых аппликаций и еще одного внешнего вращающегося магнитного поля Hупр , управляющего продвижением ЦМД . Это поле создается катушками поля управления, представляющими собой две пары перпендикулярно расположенных катушек, называемых катушками Гельмгольца, через которые пропускаются синусоидальные токи, сдвинутые относительно друг друга на 1800. За время одного периода вращения поля Нупр все домены в ДПС продвинутся на один разряд (рис. 8.3). При перемене направления вращения управляющего поля домены будут перемещаться по каналу продвижения в обратную сторону (реверс). Для перемещения домена необходимо поле Hупр, в 10 - 100 раз меньшее, чем необходимое для образования домена поле смещения Hсм. В то же время управляющее поле должно быть достаточно большим, чтобы противодействовать размагничивающему полю самих доменов и внешним полям. Для защиты от внешних магнитных полей ЦМД-микросхему помещают в экран.
Существуют два способа технологи производства ЦМД-кристаллов. Ортоферриты выращиваются как монокристаллы, разрезаются на пластины толщиной 50 - 100 мкм так, чтобы ось легкого намагничивания была бы перпендикулярна поверхности пластины. Затем методом фототравления алюминиевой подложки формируется та или иная конфигурация ДПС и создаются функциональные элементы: генератор, аннигилятор другие. При втором способе на подложку методом испарения наносится тонкая магнитная пленка. Ширина каналов ДПС - несколько микрометров. На вытравленных по первому способу участках и на непокрытых пленкой по второму способу технологии коэрцитивная сила Hс меньше коэрцитивной силы остальной области. Информация будет фиксироваться в пределах низкокоэрцитивных областей в виде доменов с обратной намагниченностью.
8.3. Функциональные элементы ЦМДмикросхем памяти
Для ввода в ЦМД-микросхему в режиме записи цифровой информации служит генератор ЦМД. В генераторе происходит расщепление исходного ЦМД на два, один из которых вводится в ДПС, а другой остается в магнитостатической ловушке генератора (рис. 8.4). Возникший под аппликацией генератора в форме диска, квадрата или прямоугольника так называемый зародышевый ЦМД растягивается в полосовой домен магнитным полем генератора и первой аппликации канала ДПС, после чего происходит разрыв стенки исходного домена, то есть расщепление его надвое. Полученный после деления новый ЦМД под действием управляющего поля в своей магнитостатической ловушке, созданной ферромагнитной аппликацией на поверхности ЦМД пленки, продвигается по каналу ДПС.
Глава 8. ВЗУ на ЦМД-содержащих материалах |
143 |
-- |
+ |
- |
|
|
- |
- - - |
+ |
+ + |
|
+ |
+ |
- |
- |
|
|
+ |
|
|
+ |
|
|
+
- +
-
-- |
- |
+ |
+ |
|
|
- |
|
|
Рис. 8.4. Функционирование дискообразного генератора ЦМД
Для модуляции потока доменов информационным цифровым кодом, поступающим с электронных схем обрамления, поверх пермаллоевой аппликации генератора накладывается токовая аппликация в форме петли. По токовой петле генератора в определенные моменты пропускают или не пропускают импульсы тока, создающие магнитное поле, которое запирает или нет выход ЦМД из генератора. Момент подачи импульса тока iзап должен быть засинхронизирован с фазой управляющего поля, что осуществляется схемой электроники обрамления - контроллером ЦМД накопителя.
Для поворота дорожки ДПС на поверхности кристалла созданы схемы поворота на Т-образных шевронах (рис. 8.7). Схема функционирует подобно ДПС, рассмотренной на рис. 8.3. Итак, информация в ЦМД-микросхеме памяти закодирована наличием и отсутствием ЦМД в определенном месте в определенный момент времени. Считывание информации сводится к определению, то есть к детектированию наличия или отсутствия ЦМД в месте считывания. Для детектирования ЦМД необходимо, во-первых, зарегистрировать поле рассеяния или намагниченность ЦМД, преобразовав одну из этих величин в электрический сигнал; во-вторых, идентифицировать этот сигнал с логическими “1” или ”0”, сформировав соответствующий стандартный выходной электрический сигнал. Первое выполняет узел считывания, собственно детектор, второе - электронный усилитель считывания.
Глава 8. ВЗУ на ЦМД-содержащих материалах |
144 |
Для детектирования ЦМД может быть использован любой физический эффект, связанный с изменением какого-либо параметра детектора под воздействием магнитного поля домена. Методы, пригодные для детектирования домена, основаны на следующих эффектах: Холла, электромагнитной индукции, сверхпроводимости, гальваномагнитном и других. Первым был построен датчик в виде нескольких витков считывающей катушки, помещенной над ДПС. В считывающей катушке наводилась ЭДС при пересечении витков обмотки полем рассеяния перемещающегося домена. Конструкция такого индукционного детектора проста, но величина считанной ЭДС составляла сотые доли милливольт на один виток.
Более эффективным явился магниторезистивный метод, при котором используется свойство магнитного материала изменять свое сопротивление при помещении его в магнитное поле. Рабочий материал такого детектора - тот же пермаллой. Поле рассеяния продвигающегося мимо детектора домена меняет сопротивление материала детектора; это изменение регистрируется обычными методами.
Для изготовления детектора используются те же технологические операции, что и для изготовления аппликаций ДПС.
Для увеличения считываемой энергии домен растягивают с помощью схемы растяжения - репликации (рис. 8.5). С помощью лестничной шевронной схемы ЦМД превращается в полосовой домен, растягиваясь в 100 раз, при этом во столько же раз увеличивается поток рассеяния, создаваемый движущимся доменом. Благодаря репликации величина eсчит достигает значений нескольких милливольт. После детектирования полосовой домен преобразуется в ЦМД исходного размера, позволяя организовать неразрушающее считывание информации.
Вход
Схема растяжения ЦМД
Схема деления ЦМД
Рис. 8.5. Репликатор - переключатель ЦМД
Репликатор, дополненный схемой деления полосового домена, используется при снятии копии с хранимой информации, для “разветвления” информации на несколько направлений. Такая схема называется переключателем. При подходе полосового домена к схеме деления на левом торце схемы образуется магнитный полюс обратного знака (поле Hупр находится в положении 2). Это способствует устойчивому делению полосового домена на два, каждый из которых попадает в соответствующий входной канал регистров Б и С. Такая схема делителя - пассивная, она обладает узкой областью устойчивой работы. Лучшими рабочими характеристиками обладает комбинированная схема делителя, в которой добавлена токовая аппликация в виде петли, подобной петле в генераторе. В петлю в момент прохождения мимо нее домена подается биполярный импульсный ток; магнитное поле, возникающее вокруг петли, способствует растяжению и делению домена.
Для стирания хранимой информации предназначен аннигилятор, осуществляющий разрушение, коллапс ЦМД. Различают аннигиляторы двух типов - пассивные и активные. В пассивных (рис.8.6, а) процесс аннигиляции происходит благодаря сужению области доменной ловушки, вызванному постепенным сужением пермаллоевой аппликации.