Цифровой журнал «Компьютерра» № 77

Две памяти инженера Бобека Евгений Лебеденко, Mobi.ru

Опубликовано 13 июля 2011 года

Зачастую незримый вершитель судеб во вселенной информационных технологий, отобрав шанс у одной из них, возвращает его спустя какое-то время. Мол, ну что же, тогда я был не в духе и отдал пальму первенства твоей сопернице. Зато теперь у тебя есть все шансы показать на что ты годишься. Тем более, что за прошедшее время ты наверняка настоялась, как дорогой коньяк, и проявишь себя во всей красе.

Мы настолько привыкли к тому, что в память в современных цифровых гаджетах реализована на полупроводниковых элементах, что не допускаем и мысли о том, что раньше, а уж тем более в обозримом будущем, всё может измениться, и конденсаторы с транзисторами, составляющие основу ячеек современной оперативной и флэш-памяти, уступят насиженное место побежденным ими некогда конкурентам — магнитам.

Эта история явилась результатом моего интереса к уникальным элементам памяти, которыми был оснащен удивительный во всех отношениях ноутбук из прошлого GRiD Compass 1101. В то время, когда большинство его собратьев оснащались 5,25" дисководами, GRiD Compass имел на борту то, что сейчас мы называем SSD или твердотельными накопителями. При этом сделаны они были вовсе не на полупроводниках, а также, как и дискеты менее продвинутых ноутбучных собратьев, использовали магнитную технологию. Правда, особого рода. Это было невероятно, и я захотел разобраться в этой технологии. Тогда я не знал, какую удивительную историю подарит мне моё любопытство. Историю пытливого ума, уникальной интуиции и недюжинной коммерческой смекалки одного единственного человека.

Это — рассказ о изобретении элементов памяти, использующих магнитные свойства вещества. Технологии, прожившей недолгую жизнь, преданной забвению и обретенной заново на новом витке технологической эволюции.

Давайте признаем — современные технологии полупроводниковой памяти — компромисс, навязанный потребителю микроэлектронной промышленностью. Наверное, нет ничего хуже, чем формировать значение двоичной единицы, загнав толпу таких энергичных созданий, как электроны, в ловушку конденсаторов (как это происходит в микросхемах современной оперативной памяти) или транзисторных затворов (как это реализовано в памяти флэш). Мало того, что юркие электроны несмотря ни на какие затворы стараются утечь из ячейки-темницы, что требует в модулях оперативной памяти периодической перезаписи ячеек, так, выбегая из нее на свободу, они норовят нагреть всё вокруг своей неуемной энергией. Про нынешнего фаворита рынка постоянной перезаписываемой памяти — технологии флэш (неважно какого типа — NAND или NOR) и говорить не приходится. Ведь для того, чтобы загнать электроны под затвор транзистора-ячейки, требуется импульс такой силы, который ячейку эту частично и разрушает. Ограничивая тем самым количество циклов перезаписи и сделав вопрос о надежности SSD одним из самых актуальных среди поисковых запросов в интернете.

Между тем, еще со времен разработки первых цифровых ЭВМ инженерам была известна сила, в той или иной мере присущая любому веществу во Вселенной. Магнитное взаимодействие тел открыто давным-давно и достаточно хорошо изучено, чтобы понять: намагниченность объекта отлично подходит для хранения цифровой информации. Не в последнюю очередь потому, что магнетизм тесно связан с электричеством, и как породить поток тех самых электронов, используя магнетизм объекта, известно еще со времен Фарадея.

Вот почему разрабатывая прототипы памяти с произвольным доступом для первых цифровых ЭВМ, инженеры особо не задумывались о выборе технологии. Идея была проста: магнитное поле хранит бит информации, принцип электромагнитной индукции извлекает этот бит в виде импульса индукционного тока. Всё просто.

Определившись с принципом, инженеры вели эксперименты с материалами, наиболее эффективно хранящими информацию в виде остаточной намагниченности и способами ее преобразования в поток электронов.

Результатом их исследований стала память на магнитных сердечниках (magnetic core memory), где ячейкой хранения выступало кольцо из магнитно-твердого вещества феррита, в химической основе которого лежат разные соединения оксида железа.

Уникальной особенностью феррита является практически прямоугольная петля магнитного гистерезиса. Её верхняя граница соответствует остаточной намагниченности кольца, которое используют в качестве логической единицы, граница противоположной остаточной намагниченности соответствует логическому нулю.

Не будем вдаваться в подробности формирования и считывания информации из ферритового кольца — ячейки magnetic core memory, об этом можно прочитать в массе источников и даже посмотреть интерактивный курс. Остановимся на технологических проблемах, с которыми столкнулись разработчики памяти на магнитных сердечниках.

Фактически, модуль такой памяти представлял собой полотно и четырех переплетенных между собой проводов, ответственных за возбуждение магнитного поля разной направленности, считывание данных и запрета (в случае записи в ячейку логического нуля).

Ферритовые кольца располагались в перекрестье этих проводов, образовывая подобие высокотехнологичной кольчуги. И главной проблемой (если не считать необходимость поддержания определенной (обычно высокой) температуры ферритовых колец) являлась сложность плетения этой кольчуги. Очевидно, что для памяти большого объема нужно больше ячеек, что подразумевает штамповку большого числа колец и сложную процедуру их вплетения в провода. При этом делать такую феррритовую память в виде гигантского гобелена было и технически и экономически нецелесообразно.

Смешно, конечно, вывесить рядом с ЭВМ эдакий ковер и хвалиться всем: а это — наша оперативная память. Поэтому ферриторую кольчугу вплетали в небольшие по объему модули, наподобие пялец для вышивания. Наиболее известную технику плетения таких модулей емкостью 16х16 бит (емкость 256 бит) в то время разработала британская компания Mullard. Существовали вариации и побольше, например, 32х32 бита (емкость 4096 бит). Такие модули последовательно соединялись в секции, из которых монтировались так называемые ферритовые кубы — единицы памяти, подключаемые к ЭВМ.

Очевидно, что и в процесс плетения модулей и в процесс сборки ферритовых кубов вкрадывались ошибки (работа ведь была практически ручная), что приводило к увеличению времени отладки и устранения неполадок.

В поисках компромиссного решения инженеры решили попробовать вместо колец применить ферритовые пластины. В таких пластинах идея ферритового кольца была возведена в абсолют. По сути, вся поверхность пластины была ферритовым кольцом с множеством отверстий, сквозь которые продевались управляющие провода. Процесс изготовления памяти на ферритовых пластинах был несколько проще. Но, все-таки, это была вариация того же самого плетения памяти-кольчуги.

Именно благодаря злободневному вопросу трудоемкости разработки памяти на ферритовых кольцах у сотрудника лаборатории Bell Labs Эндрю Бобека появилась возможность проявить свой изобретательский талант.

Телефонный гигант AT&T, тогдашний владелец Bell Labs был, как никто другой заинтересован в разработке эффективных технологий производства магнитной памяти.

Всё более активное использование цифровых ЭВМ в системах коммутации каналов требовало всё большей ёмкости запоминающих устройств. Ну а поскольку базовой технологией того времени была память на магнитных кольцах, инженеры AT&T в полной мере ощутили «пределсти» создания оперативной памяти для своих машин.

Одним из этих инженеров и был Эндрю Бобек, в 1949 году пришедший на работу в Bell Labs из университета штата Индиана.

Бобек решил кардинально изменить направление исследований и предложить альтернативу экстенсивному пути совершенствования памяти на ферритовых кольцах. Первым вопросом, который он задал самому себе, был: «обязательно ли в качестве материала хранения остаточной намагниченности использовать магнитно-твердые материалы наподобие феррита?». Ведь не у них одних подходящая реализации памяти и петля магнитного гистерезиса. В технике давно известны магнитно-мягкие сплавы, обладающие подходящими свойствами. В первую очередь к ним относятся сплавы железа с никелем (пермаллой), железа с никелем и кобальтом (пермендюр) и железа с кремнием (трансформаторная сталь).

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

Две памяти инженера Бобека (часть 2) Евгений Лебеденко, Mobi.ru

Опубликовано 14 июля 2011 года

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).

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».

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.

Идея была настолько простой и изящной, что после того как Бобек получил на нее патент, право на использование эффекта пузырьковой памяти приобрели почти все ключевые игроки компьютерных комплектующих того времени и даже исследовательские лаборатории таких солидных контор, как NASA.

Экспериментируя с формой «шевронов», качеством сплава пермаллоя и редкоземельной подложкой, они в достаточно быстрые сроки создали собственные модули пузырьковой памяти объемом от шестидесяти килобайт до четырех мегабайт.

К уникальной особенности пузырьковой памяти — полнейшему отсутствию движущихся частей, добавилось еще одно немаловажное свойство — противостояние электромагнитному импульсу или жесткому космическому излучению, которые фатально воздействует на память полупроводниковую. Именно поэтому пузырьковой памятью, в первую очередь заинтересовались военные и разработчики космических аппаратов.

Основным недостатком пузырькового детища Бобека было низкая скорость чтения/записи, составлявшая от десяти до пятидесяти миллисекунд. Составить конкуренцию оперативной памяти пузырьки не могли, зато с тогдашними жесткими дисками они серьезно конкурировали. И проиграли только тогда, когда технология производства последних в сочетании с повышением скоростью чтения/записи в них стали оптимальными для массового рынка.

Итак, второе изобретение Бобека тоже стало историей. Или нет?

Конечно же нет. Способ направленного перемещения магнитных доменов в слое пермалллоя никогда не давал покоя исследователям, старавшимся улучшить потребительские характеристики такого перспективного вида памяти.

И кажется инженерам из лаборатории IBM Research, возглавляемым Стюартом Перкиным это удалось.

Их перспективный вид памяти, которую они красноречиво именуют Racetrack Memory является удивительной комбинанией идей инженера Бобека и современных нанотехнологий.

Как и в случае пузырьковой памяти Бобека, в Racetrack Memory магнитные домены-единицы движутся внутри пермаллоя, но изготовлен он в виде тончайшего нанопроводника. На этот изогнутный подковой проводок подается ток, заставляющий домены мчаться мимо головок чтения записи, расположенных в основании подковы. Меняя магнитную полярность, исследователи заставили двигаться записанную информацию вдоль проводника, обеспечивая невероятную скорость чтения и записи — единицы наносекунд.

Модуль Racetrack Memory будет представлять собой массив таких нанопроводников, каждый из которых сможет хранить определенное количество бит информации в виде магнитных пузырьков-доменов.

В настоящее время Racetrack Memory все еще исследовательская разработка, о которой, однако, говорят как о вполне коммерческой перспективе в области систем хранения данных с произвольным доступом.

Вот так открытие инженера Бобека, сделанное им в шестидесятых годах прошлого столетия, обрело новую жизнь в двадцать первом веке. Настоящая наука не терпит вакуума идей.

К оглавлению