Завдяки високій стійкості розміру, форми і положення в пластині при відсутності полів управління (вважаючи незмінною напруженість зсуву, яка утворюється постійними магнітами), а також можливості тривалого збереження інформації без споживання енергії, пристрої на ЦМД можна використовувати для створення пристроїв пам’яті (ПП).
Перевагами доменних ПП є:
1) висока щільність розміщення інформації, що дозволяє в об’ємі біля 5 см3 зберігати приблизно 100 млн. біт;
2) мала потужність споживання, що складає біля 1-2 мкВт/біт, що значно менша в порівнянні з напівпровідниковими ПП, для яких вона складає 50-100 мкВт/біт, так що проблема тепловідводу в доменних ПП практично не виникає;
3) низька вартість використовуваних матеріалів і відносна простота технологічних операцій, що дозволяють здійснити автоматизацію процесів виготовлення і контролю ПП на ЦМД.
Ці переваги визначають у якості основної області застосування ПП на ЦМД зовнішні пристрої пам’яті з обсягами пам’яті порядку 106-109 біт і часом обертання 5-500 мкс. Причому, подібно пристроям пам’яті із змінними пакетами магнітних дисків, доменні пристрої зі змінними модулями придатні для формування різного роду архівів (банків інформації). Основні параметри доменних ПП, в порівнянні з аналогічними параметрами накопичувачів ПП з рухливим магнітним носієм, показують перспективність ПП на ЦМД. Вони приведені в табл.2.3.1. Перспективним вважається застосування доменної пам’яті в якості буферної між оперативною, з одного боку, і зовнішньою пам’яттю, а також периферійними пристроями – з іншого, зокрема пристроями вводу цифрових і аналогових сигналів в ЕОМ.
Основою пристроїв пам’яті на ЦМД є пластина – чіп (від англ. chip – кришталик) – одноосьового магнітного матеріалу (ортофериту або ферит-гранату).
Особливості доменних пристроїв пам’яті визначаються малими розмірами чіпа, що складають частки квадратного сантиметра, тому в ПП доводиться використовувати декілька чіпів. Звідси виникають завдання розподілу інформації як між чіпами, так і всередині них, з однієї сторони, й обмеження зовнішніх підводів до чіпа – з іншої (практично до чіпа вдається підвести не більше 30 виводів).
Існують три види розподілу інформації всередині чіпа (його організації). Розглянемо їх.
Автономне розміщення накопичувальних регістрів у кристалі Цей вид характеризується тим, що кожний накопичувальний регістр у чіпі забезпечений своїм набором елементів (давач зчитування, генератор і анігілятор доменів). Між собою в рамках чіпа регістри не пов’язані (автономні). Якщо в чіпі знаходиться тільки один регістр, то така організація чіпа забезпечує найменшу кількість виводів і високу технологічність.
Таблиця 2.3.1
Основні параметри доменних пристроїв пам’яті
Параметри
Типи ПП
доменні
на змінних магнітних пакетах
на магнітних
стрічках
Інформаційна ємність накопичувача, біт
106 – 108
107 – 109
107 – 109
Середній час пошуку, с
5×10-5 – 10-3
2×10-2 – 10-1
1 – 100
Швидкість передачі інформації, Мбіт/с
5 – 50
1 – 5
0,1 – 1
Щільність запису інформації, біт/см2
105 – 106
104 – 105
103 – 104
Вартість зберігання інформації, цент/біт
0,005 – 0,05
0,01 – 0,05
0,02 – 0,002
Енергоспоживання, Вт
10 – 50
103 – 2×103
5×102 – 103
Маса накопичувача, кг
0,5 – 5,0
150 – 250
100 – 150
Діапазон робочих температур, °С
-50 ¸+60
16 – 32
16 – 32
Рис. 2.3.18. ПП “Домен-3” з одним автономним накопичувальним регістром
Саме так організований чіп доменного накопичувача марки
“Домен-3”, спроектованого в Інституті електронних управляючих машин. Чіп являє собою епітаксіальну ферит-гранатову плівку, вирощену на немагнітній основі з гадоліній-галієвого гранату розміром 3´3 мм і з діаметром ЦМД, який дорівнює 5 мкм (рис. 2.3.18). Безупинне просування інформації, представленої наявністю (1) або відсутністю (0) ЦМД, вздовж єдиного регістра забезпечується полем керування, яке обертається з тактовою частотою від 0,1 до 0,3 МГц, що забезпечує швидкість передачі даних від 0,1 до 0,3 Мбіт/с. Ємність чіпа складає 4096 біт. Просування доменів забезпечується за допомогою пермалоєвих аплікацій Т-структури, а введення інформації та її знищення – за допомогою контурів зі струмом. Зчитування інформації проводиться магніторезисторним давачем із попереднім «розтягуванням» ЦМД у смуговий домен за допомогою шевронних пермалоєвих аплікацій. На чіпі розташовано два однакових магніторезисторних давача: основний R1 і компенсаційний R2, що разом із зовнішніми резисторами R3 і R4 утворюють мостову схему.
При зчитуванні нуля (домен під давачем R1 відсутній) міст урівноважений і сигнал на його виході дорівнює нулю; при цьому зміни опору давача R1, що виникають під дією обертового поля керування, компенсуються такими ж змінами опору давача R2.
При зчитуванні одиниці домен під давачем R1 вносить додаткові зміни в його опір у порівнянні зі змінами R1 і R2, що відбуваються під дією поля керування, міст виходить із рівноваги і на його виході з’являється напруга, що свідчить про зчитування одиниці в даний момент часу.
Доменний ПП з автономними регістрами по своїй організації подібний до ПП на магнітних дисках, кожній доріжці якого зі своєю головкою запису-зчитування відповідає автономний регістр у доменному ПП. У такому ПП зчитування щойно записаної інформації стає можливим лише після того, як домени після генерації «оббіжать» під дією обертового поля керування весь регістр і перед тим, як вони виявляться під давачем зчитування, подібно обертанню магнітного диска. Тому ПП з таким видом організації зручні при побудові пам’яті невеликого обсягу, якою є буферна пам’ять; при великих же обсягах час пошуку потрібної інформації в регістрі може виявитися неприпустимо великим.
Об’єднання накопичувальних регістрів за допомогою дешифраторів на ЦМД. Це інший вид організації доменних ПП, що дозволяє зменшити час пошуку інформації при одночасному скороченні числа виводів із чіпа.
Так, ПП на ЦМД ємністю 108 біт організовано в такий спосіб. На чіпі з ферит-гранатової плівки розташовано 2n = 27 = 128 замкнутих накопичувальних регістрів ємністю 800 біт кожний, для звертання до яких на цьому ж чіпі розташований дешифратор із 2n=2×7=14 струмовими шинами. На кожному чіпі є вивід для шини запису, вивід для шини знищення і три виводи для мостового давача зчитування. Із загальною шиною корпусу перераховані виводи складають 20 виводів на чіп, що має ємність 128×800=102400 біт (приблизно 105 біт).
На рис. 2.3.19 показана типова конструктивна схема модуля ПП на ЦМД.
Для створення обертового поля керування Нк, як відомо з курсу теоретичних основ електротехніки, використовують ортогональну систему з двох плоских котушок, по яких пропускають синусоїдальні струми Ік1 і Ік2, зсунуті по фазі на 90°.
Плата з 16 чіпами укладена всередині таких плоских котушок. Незмінне поле зсуву Нзс створюється чотирма циліндричними постійними магнітами, розташованими у кутках модуля. Для створення рівномірного, однорідного поля зсуву в зоні розташування чіпів використані дві пермалоєві пластини – кіпери (від англ. kеерреr – тримач, утримувач поля в потрібній зоні), між якими укладена плата з котушками.
Рис. 2.3.19. Конструктивна схема з 16 чіпами:
1 – чіпи, 2 – катушки керування, 3 – циліндричні постійні магніти зсуву,
4 – пермалоєві пластини – кіпери
Об’єднання накопичувальних регістрів за допомогою регістра зв’язку. Це найбільш перспективний вид організації ПП на ЦМД, особливо для побудови пам’яті середнього і великого обсягу (рис. 2.3.20).
Рис. 2.3.20. Двостороння організація доменного ПП з регістром зв’язку:
1 – накопичувальні регістри, 2 – регістр зв’язку, 3 – перемикачі, 4 – пристрій знищення інформації (анігілятор доменів), 5 – пристрій запису інформації (генератор доменів),
6 – давач зчитування, 7 – шина струму керування.
Розглянемо послідовність роботи такого ПП. Припустимо, що регістр зв’язку порожній. Під час запису генератор 5 під дією імпульсів струму, що надходять з пристрою керування, послідовно розряд за розрядом, здійснює запис числа в регістр зв’язку. Потім по сигналу, поданому в шину 7, перемикачі переводять одночасно всі розряди записаного числа в накопичувальні регістри, де це число буде циркулювати під дією обертового поля. На рисунку пристрій зображений у момент, що передує передачі з регістра зв’язку в розташовані праворуч від нього накопичувальні регістри числа 100 … 0, а в накопичувальних регістрах, розташованих ліворуч від регістра зв’язку, циркулює число 1 … 101, записане незадовго до того.
Для зчитування числа в такт, коли його домени займуть у накопичувальних регістрах положення біля перемикачів, по сигналу, що подається по шині 7, перемикачі передадуть ці домени в регістр зв’язку, де число, що підлягає зчитуванню буде просуватися, а досягнувши давача 6, зчитуватися розряд за розрядом. При зчитуванні без руйнації це число, здійснивши повний оберт по регістру зв’язку, може бути знову за допомогою перемикачів передане на збереження в накопичувальні регістри. При необхідності стерти число, що зчитується, його домени колапсують, коли проходять під анігілятором 4, по сигналах, що надходять з пристрою керування, після чого в регістр зв’язку за допомогою генератора 5 може бути записана нова інформація. Для забезпечення правильної роботи такого ПП необхідне визначене співвідношення між розрядностями накопичувальних регістрів і регістра зв’язку, щоб після зчитування попереднє (без знищення) або нове число передавалося б у ті ж комірки накопичувальних регістрів, де воно знаходилось раніше. Для передачі доменів з регістра зв’язку у накопичувальні регістри та назад потрібні реверсивні перемикачі, побудовані на ЦМД.
Вітчизняною промисловістю випускаються ІМС з організацією, подібною до зображеної на рис. 2.3.19: К1602РЦ2А ємністю 256 Кбіт і К1602РЦ2ЗА ємністю 1 Мбіт. На цих ІМС в Інституті електронних керуючих машин спроектовано пристрій пам’яті “Домен-5” із такими параметрами: інформаційна ємність мінімального складу 64 Кбайт; максимальна ємність 64 Мбайт; середня швидкість передачі даних 12,5 Кбайт/с; середній час доступу до інформаційного блока 6,0 мс; розрядність слова 8 біт; потужність споживання 40 ВА; наробок на відмову не менше 50000 год.
Васюра А.С. – книга “Електромагнітні елементи цифрової техніки”