Перспективи розвитку елементної бази доменних пристроїв

Використання доменної пам’яті в ПП великої ємності замість магнітних дисків залежить від подальшого технічного прогресу в цій області. Основною перешкодою є відносно висока вартість зберігання біта інформації в ПП на ЦМД у порівнянні з дисковою пам’яттю. Це пояснюється тим, що в дискових ПП дешевий магнітний матеріал використовується тільки для виготовлення накопичувачів, що зберігають інформацію, а функції запису і зчитування виконуються окремим пристроєм, що використовується зі змінними пакетами дисків. У доменних же ПП всі ці функції повинні здійснюватися на кожному чіпі, подібно дискам типу «Вінчестер». Тому для успішної конкуренції з ПП на магнітних дисках по вартості на 1 біт інформації необхідно істотно підвищити інформаційну щільність ПП на ЦМД проти досягнутого в даний час значення приблизно 106 біт/см2.

Щільність запису інформації в доменних ПП визначається не тільки діаметром ЦМД і технологією виготовлення пермалоєвих і провідникових аплікацій, але й сукупністю схемотехнічних і конструкторських рішень, а також фізичних ефектів, які використовуються для створення пристроїв на ЦМД, що можна назвати елементною базою доменних ПП.

Можна виділити два напрямки в розвитку елементної бази ПП на ЦМД:

1) пермалоєвих аплікацій;

2) іонно-імплантованих схем.

Розглянемо ці напрямки.

image025

image001

Напрямок пермалоєвих аплікацій. Пермалоєві аплікації в сполученні із шинами, що проводять струм, лежать в основі створення ПП першого покоління й утворюють накопичувальний масив за принципом «одна аплікація на один домен». Саме до цього напрямку відноситься ПП на ЦМД (див. рис. 2.3.18). Аналіз існуючих розробок чіпів для накопичувачів доменних ПП, виконаних на пермалоєвих аплікаціях, показує, що практичною межею ємності чіпів при використанні традиційних методів просування доменів за цим принципом є ємність порядку 16-64 Мбіт. Причому ця межа визначається не технологією виготовлення аплікацій (існуюче літографічне устаткування дозволяє виготовляти їх з розмірами 0,2 мкм), а, головним чином, ненадійністю елементів чіпу, що проводять струм, при діаметрах домена менше 1 мкм.

З елементної бази цього напрямку найбільш перспективні для створення накопичувачів ПП на ЦМД так звані «безпроміжкові схеми» у вигляді пермалоєвих дисків (рис. 2.3.21), що можуть дозволити збільшити ємність чіпів до 108 – 109 біт і швидкодію до 1 – 2 МГц. У безпроміжковій схемі ряд пермалоєвих дисків, що перемагнічуються обертовим полем керування Нк, розташований по черзі по обидва боки ЦМД-пластини. Таке розміщення дисків призводить до того, що домен притягується до позитивного полюсу непарних і негативного полюсу парних дисків. На рис. 2.3.21, а-д відображені стадії намагнічування дисків і положення домену для п’ятьох послідовних напрямків обертового поля. Пермалоєва смужка, що розташована над дисками на відстані, що приблизно дорівнює радіусу домена, стабілізує просування ЦМД.

Іонно-імплантовані схеми. Напрямок іонно-імплантованих схем базується на ефекті імплантації (порушення структури) кристалічної гратки.

При іонному бомбардуванні поверхні магнітно-одноосьової плівки в прошарку Dh, що примикає до цієї поверхні (рис. 2.3.22, а), виникають імплантації кристалічної гратки у вигляді зсувів атомів, що намагаються викликати локальне розширення гратки в області іонно-імплантованого (II) прошарку. Оскільки непорушений прошарок кристалічної плівки утримує значно тонший поверхневий прошарок від розширення в паралельних їй напрямках, ІІ-прошарок знаходиться в стані площинного стискування, що у ферит-гранатах із негативною магнітострікцією викликає появу площинної магнітної анізотропії. При цьому напрямок намагніченості МS, ІІ-прошарку відхиляється від осі z, на кут q, створюючи складову М, що лежить у площині цього прошарку, яка і визначає його властивості. Кут j визначається вектором image005 і змінюється при його обертанні, причому в загальному випадку між векторами image007 і image009 існує зсув Dj.

Якщо на поверхню плівки нанести аплікації з золота (найчастіше у вигляді дисків), то вони захистять покриті місця плівки від впливу іонів, і під дисками збережеться непорушена кристалічна структура.

image011

Рис. 2.3.22. Розподіл намагніченості й утворення доменних меж у магнітно-

одноосьовій плівці, що піддана іонній імплантації

Під впливом поля image012 площинна намагніченість М в ІІ-прошарку упорядковується і “обтікає” диск (рис. 2.3.21, б), відтворюючи доменні межі, що мають вигляд клинчастих областей, розташованих вгорі і внизу за «течією». Верхня область, від бічних стінок якої розходяться вектори image013 (і, отже, усередину якої повинні входити силові лінії), уподібнюється південному полюсу магніта, а нижня, з протилежним напрямком полів, – північному. Ці області-межі можна спостерігати під мікроскопом. Для цього феромагнітний колоїд наносять тонким прошарком на поверхню плівки і намагнічені полем зсуву частки колоїду взаємодіють із полями розсіювання цих областей, створюючи контрастну картину. На фотографії плюсові області виглядають чорними, а мінусові – світлими змієподібними смужками (рис. 2.3.22, в), що обертаються навколо диска та захоплюються обертанням поля керування image015. Плюсова межа сходження є магнітостатичною пасткою, до якої притягується циліндричний домен (рис. 2.3.22, г).

Просування ЦМД в іонно-імплантованій структурі можна здійснити так, як показано на рис. 2.3.23. Під дією обертового поля керування межі сходження (товсті рисочки) утворюються не тільки на зовнішньому відносно поля image016, колі золотих аплікацій-дисків, але й у місцях їх дотику (рис. 2.3.23, а). При обертанні image017 межа сходження переміщується, як показано на рис. 2.3.23, б-д. За повний оберт поля image018 домен переміщується на один крок, що дорівнює діаметру диска (причому велику частину періоду обертання домен проводить у «западині» між дисками), а якщо диск крайній, то обходить його майже по всьому колу, переходячи з нижньої сторони структури на верхню (лівий домен) або навпаки.

image020З рис. 2.3.24 випливає, що розімкнутий ряд дисків являє собою замкнутий кільцевий регістр зсуву, тому що ЦМД обігає такий ряд дисків по його периферії, змінюючи на крайніх дисках напрямок проходження. Тому на основі такого регістра можуть бути створені доменні ПП з такими ж видами організації, що і ПП з t пермалоєвими структурами.

На рис. 2.3.24, а зображена схема ПП з регістром зв’язку, що об’єднує накопичувальні регістри. Розглянемо функціональні елементи такого ПП на плівці з ферит-гранату з діаметром 5 мкм і діаметром просовувальних дисків 25 мкм.

Генерація ЦМД відбувається за допомогою імпульсу струму 450 мА тривалістю 5 мкс, що подається в провідну шину-аплікацію шириною 25 мкм. Для полегшення утворення домену шина охоплює пермалоєвий диск (заштрихований) товщиною 0,03 мкм, що примикає до першого диска регістра зв’язку.

image022

Рис. 2.3.24. Організація пристрою пам’яті на ЦМД із іонно-імплантованою структурою

Накопичувальні регістри виконані у вигляді стовпчиків із дисків. Осі стовпчиків проходять через западини між дисками регістра зв’язку, тому відстань між вісями сусідніх стовпчиків дорівнює двом періодам схеми.

Перемикач діє таким чином. Коли вектор поля image023 спрямований вниз, на найближчому до регістра зв’язку диска накопичувального регістра і в западині регістра зв’язку утворяться межі сходження, спрямовані назустріч одна одній (рис. 2.3.24, б). Імпульс струму, поданий у цей момент у шину-аплікацію перемикача, переносить домен з-під однієї межі пастки в іншу.

Напрямок переносу визначається напрямком струму. При зазначеному стрілкою на малюнку напрямку струму домен перейде з регістра зв’язку в накопичувальний, тому що напруженість, створювана цим струмом, буде послаблювати поле Hзс на верхній межі шини і посилювати Hзс на нижній, а домен переміщується у бік меншого Н. У пристрої, що розглядається, шина шириною 50 мкм забезпечує перенос ЦМД із регістра зв’язку в накопичувальний струмом 160 мА та у протилежному напрямку – струмом 90 мА при тривалості переносу, в обох випадках, 5 мкс. Розходження в значеннях струму пояснюється більшою інтенсивністю поля межі сходження в западині між дисками, ніж на колі диска.

Давач зчитування (на малюнку не показаний) магніторезисторного типу розміром 500х25 мкмх200 А надавав сигнал 7 мВ при розтягу ЦМД у смуговий, 5х500 мкм – за допомогою петлі зі струмом 4 мА.

Анігілятор (також не показаний на малюнку) являє собою шину шириною 50 мкм з імпульсом струму 200 мА тривалістю 1 мкс. У порівнянні з пермалоєвими структурами просування, іонно-імплантовані дозволяють на порядок збільшити інформаційну ємність чіпів при однакових можливостях технологічного устаткування для їхнього виготовлення, а також значно знизити необхідне значення поля керування, що у 3-4 рази менше, ніж поле, необхідне для структур на пермалоєвих аплікаціях при ЦМД того ж розміру.

Васюра А.С. – книга “Електромагнітні елементи цифрової техніки”

Оставьте комментарий к статье