INFORMATICA 3/1980 MEHURCNI POMNILNIKI - I. D E L B. MIHOVILOVlC, J. SlLC, P. KOLBEZEN UDK: 681.327.664.4 INSTITUT JOŽEF STEFAN, UUBLJANA Prvi v aeriji člankov o mehurčnih pomnilnikih podaja širši vpogled v mesto mehurčnih pomnilnikov v hierarhiji pom- nilnikov. Smo v čaau, ko se takšen poranilniški medij šele uveljavlja, zato so v tem delu nekoliko širše predstav- ljeni proizvajalci mehurčnih pomnilniških aiatemov, ki jih ni malo in so dokaz, da so mehurčni pornnilniki danes realnost. Podano je današnje tehnološko in ekonomsko stanje v svetu in pogled v bližnjo prihodnoat. Na koncu je posvečeno nekaj besed osnovnim karakteristikam in možnostim uporabe mehurčnih pomnilnikov. MAGNETIC BUBBLE MEMORIES - PART 1. The first in a series of articles on magnetic bubble memories (MBM) reviews the place of bubble in the memory hieraqhy. We live in the time when such memory medium haven't been brought forward yet. Therefore the emphasis of presentatipn is mainly on the producerfs of magnetic bubble devices (MBD), the number of which is rather large what proves that the bubble meraories are a. reality nowadays. It gives the to- day technological and eoonornic state in the world and the sight into near future. At the end few words are given on the basic characteristics and the possibilities of the use of bubble memories. 1. UVOD 2. MESTO MEHURČNIH POMNILNIKOV V HIERARHIJI POMNILNIKOV V sedemdesetih letih so se pojavili mehurčni pomnil- niki (z uporabnimi lastnostmi masovnih perifernih pom- nilnikov), ki imajo nekaj svojskih lastnosti, kot so: prirojena.zanesljivoat, neobčutljivost na okolico in vi- soka goatota. Kljub naštetim dobrira lastnostim, pa se načrtovaloi in uporabniki mehurčnih pomnilniških aiatemov soočajo z ne- katerimi problemi, ki spremljajo realno uporabo mehuri- čnih pomnilnikov, kot so kompleksna nadzorna logika, ojačevanje razmeroiria slabotnih signalov in generiranje visokih tokovnih impulzov. Danes so nekateri proizvajal- oi naštete tehnološke probleme že uspešno rešili, tako da so mehurčni pomnilniški sistemi danes že realnost. Zaradi njihove majhnosti, učinkovitosti, majhne porabe moči in ostalih prirojenih lastnoati, 30 mehurčni pomnil- • niški siatemi primerljivi z diakovnimi iri tračnimi pom- nilniškiml sistemi. 1) Ceprav Je razlskovalna skupina A. H. Bobecka v Bell Telephone Laboratories že v začetku leta 1967 naredi- . la prve eloperlmente [ 1 ] na področju tvorbe cilindri- čnih oblik magnetnlh domen v feromagnetikih, so se rezultati teh raziskav realizirall v obliki mehurenih pomnilnikov šele v sedemdeaetih letlh. Da bi prikazali položaj mehurčnih pomnilnikov v množici elektronskih in neelektronskih pomnilnikov, je potrebna medsebojna primerjava v večih dimenzijah. Ena od dimenzij je vsekakor kapaciteta pomnilnika in druga je čas doato- pa. Tretja dimenzija, ki je zelo pomembna z ekonomskega stališča, je cena na bit vgrajenega pomnilnika. Nenazad- nja Je tu še oetrta dimenzija, ki ponazarja oasovni teh- nološki razvoj pomnilnika (otroštvo, adolescenca, zrela doba in staroat). Z množico naštetih dimenzij, bi lahkd zgradili najmanj tri diagrame, s katerimi bi primerjali poaamezne pomnilnike med seboj. Na sliki 1. je podan diagram, ki prikazuje odvianost med kapaciteto pomnilnika in čaaom dostopa za poaamezne teh- nologije pomnilnikov. Če pogledamo na diagrara s atališča pomnilhikov, katerih tehnološki razvoj je že v t.i. zreli dobi ali starosti, opazimo glede na čaa do3topa, veliko praznino med ferit- nimi pomnilniki na eni in magnetnlmi diski s fiksno glavo na drugi atrani. To vrzel poizskušajo zapoln^ti tri teh- nologije (ki pa 30 še v otroški oz. adolesoentni dobi) in sicer CCD (charge coupled devioea), mehuronl- pomnilniki 72 HP- £e>6 dostopa v &ekundah Slika 1. (MliM) in EBAM (electron-beam aece:;;;ed meinorie:.;). EBAM poimulnlki naj bi predvidorna iineli nlzko ceno na bit vgrajenega poranilnika, toda iiaajo to alabo laatnost, da vsebujejo krhke vakuuinake komponeiiLe, kar ta poinnilnik loči od ostallM dveh nemelianskih pomnllnikov. CCD poranil- nlki KO glede na čan dostopa enakovrocln.i. inehurčiiim pom- nilnikom, vendar ji; njiliova kapacitcl.a manjaa (približiio enaka kot pri MCJii pomnilnikiti), kar ne zagotavlja njiho- ve uspešnosti. I.ihko reoemo, da bodn obntoječo vr/el us- pešno zapolnU.) lu mehurčni pomnilniki. Ce grupirarno pomnllnike v dvc .skupini., to je meliantike in integr»irane (;-iolid BtaLe) pomniln.iko, tar jih opazujemo v proatoru utroškl/velikoat pomnilnika, vidiino, da jo u- poraba prvih upfavičena na področju velikih pomiiilnikov. Za integrirane ponini.lnj.ke pa ugotovimo, da ao str'osk.1 ta- ko pri majhnih kot pri ve.likih pomnilnikih praktiono iz- cnaoenl. Kot je razvidno iz slikt: 2. Je nporaba integri- ranih pomnilnikov (mcd katere tiodlju tudi mehurčni pom- nilniki) bolj upraviocna pri. manj:iih pomnilnikih, vondar zagotovo lahko trdiriio, da bo točka C, v kateri se ulroa- ki obeh tipov poraniliiikov izenač.i jo, :; časora prešUi v C oziroma C", itd. A.l i drugate povedano, v prihoilnje t)i«|.i Integrirani pomnilniki vse bolj izpodrivali iiiohati:ik" puin- ni.lnike tudi na področju veliki.li pomnilnlkov. mthanski pomnitmki valikost aomnitnika ^. Slika ?.. Leprav niohnrčnj potmii lniki po oa:iii d:vitup.i nisij prini l.jivi z MO.S poinni..1 iiiki , bomo na IM:;Iu«inji;in diagramu 73 (alika 3.) prikazjjili predvideno produkcijo obch Lehnolo- gij v na3lednjih ietih. Vidimo, da je v letu 1980 rnzmer- Je med produkcijp;MOS (dinamlčnih) pomnilnikov in mehur- čnih pomnllnikov'še 10:1, že v letu 1985 pa :;e bo to raz- merje predvidoma zmanjšalo na 10:3. 2000 1500 1000 500 tios 1970 ' ms Slika 3. 1910 1915 3. ALl PKEDSTAVLJAJO MEHURČNI POMNILNIKI DANES REALNOST Visekakor! Od pryih poizkusov na področju tvorbe cilindri- onih oblik magnetnih domen v letu 1967 je minilo pet let do izdelave osnpvnii pannilniške strukture, v kateri je bilo možno izvešt;i vpia, branje, pomik ter brisanje in- formacije. Kapacitete prvih mehurčnih poranilnikov (MBM) so bile manj kot 102-1 bitov (lKbit). Po letu 1972 pa je kapaeiteta MBD rapidno naraščala, tako da je bila v letu 1979 256 Kbitov že standardna velikost (danes je kapaciteta MBM že 1 Mbit in več), to pa pomeni v povpre- čju trikratno povečevanje kapacitetu MBM letno. Zanimivo je, da oe jo kapaciteta MOS pomnilnikov v čaau njihovega tehnološkega razvoja povečevala s faktorjem 2 Jetno. Ta- kšno progretiivno naraščanje kapacitete MBD lahko realno pričakujemo tudl v osemdeuetih letih, saj ae že daneo ka- žejo rezultati razlaknv na področju uvajanja novlh mate- rialov ln postopkov v tehnologijo izdelave rnehurčnih po- mnilnikov. Če pa le obatajnjo kakane omejitve, aeveda na- ravrie oblike, pa to ne propreoujejo fea.lizao.ije MBM go- stote v.snj 6'4 Mbit.ov/cm (morda pa cc.lo 256 Ml).itov/cra'"). Slika 'I. prikazuje zgodovinski in bodoči pogled na letno proizvodnjo MBM različnih kapncitet v letili 1978-1985. 1 [•ibiLni MBM, ki ao daney že feal iz.irani v ob.li.ki čipa, shmtijujejo informacijo, ki je cnaka več kot 30-t.im tip- kanim strunem podatkov ali preko 300 m luknjanega fcraku. Npn. današnji dinamioni HAM poiiinUniki imajo kapaelteto 61 KbiLov, ROM poinnilniki 128 Kbitov iti mini gibki di.ski z enoatranskim zapi:jom 720 Kbitov. Naštejrao še nekaj laatnosti, ki opravičujcjo vnv večjo uporabtio;it tega poinnilniškoga inedija. Pi'va je vr.ekakor prepront foLolitogmfaki pontopo:k obdohivo jmbiittvita (po- trebna atn dva koraka, inedLem kn jo |>ri I-10S l.chnologlji teh korakov sedern). Druga dobra la:;noUit je v več.jein iz- koristku aubstrata pri i/.delavi MM čipov, kot v drugih tehnologijah. Naalednja dobra ]a:jtndoačajo za pokrivanje :'.t.aiidat'clnlli cleinentov v telefontikih ^iat.cinih. Njihuv nadaljtii r'a/.voj je u:in«;fjcii v lzboJ Jaatijo pontopka .i<>n:;ke implanlacije pfopa)5n.:.i j.';kili vzorcev (L?P.? - ion impl.ant.ixl piMpa^iLion paltorirO z IVI- menom znian;j:"anja preniura inaiim-tnili inchurokov, t.u je pc>- večanja ).i;ii.'!Lol.o HI3M čipnv. I»N IBM jc o.-.voji 1 l.ri. tclinologiji; i/.dulavi: MHM i.n .sioer1: |>o- stopek pentialojnih v/.oroov (ptjnnal loy pat.Lonui), tttinolo- gijo 1?.\'2 in njihuvo Ia:.t.m» odkrit.Ju "urvjona mi'e:'.a me- hurčkov" (l(ubl)U;:-. l.at.t. ii:c..' l-'ilo) . llawlet.t.-l'aokar\l Po nekajlet.nih ra/.ir.kavah je pr'i III' •/.aniiiiaiijf; y.a MBH ne- koliko popii.">Liio. Kin.-.lu p.i m.i ilola na U.-m |xxlročju obno- Vili ill iM';ulili ;iti 1 Mbit.nl HBM, ki pa ju :;pi:r ial i/.iran 2) Vobče so vse do tedaj znane tehnologije "shranjevale" informacijo tako, da Je priaotnost magnetnega mehur- čka predstavljala logično 1 in njegova odsotnost lo- gično 0. Pri BLF tebnologiji pa govorinio o zaprti go- milasti grupl magnetnih meliurčkov in informaeija je shranjena v obliki različnih stanj sLene, ki obkroža mehufčno domeno [2] . 74 za njihovc lautne potrebe. Perioda propagacijakega vzor- ca je 8u , propagacij.ska frekvenca pa je 200 KHz, ima pa tudi zelo vlaoko redundanco '10 %. Intel Prve poizkuae so pri Intlu izvedli šcle po letu 1977 in kmalu plasirali na tržišče 1 Mbitni MBM a štirimi pod- pornimi čipi in sioer kontrolerjem, generatorjem tokov- nih impulzov, ojačevalnikom in driverjem navitij. Našte- ti elementi so grajeni tako, da se enoatavno povezujejo z mikroračunalniškirni siotemi iatega proizvajalca. Pro- pagacijski elementi imajo obliko nesimetričnih škarnic (aaymmetric chevron) a periodo 10 t 12^. pri premeru magnetnega rnehurčka 2,7 (VL . Ta MBM vsebuje H8 redundan- čnih zank pri 320 pomnilniških zankah in njegova propa- gacijaka frekvenoa je 100 KHz. Natlonal Seiniconduotora Pri Nationalu oo prioeli a proizvodnjo MBM v zadnjem če- trtletju leta 1977. Njihov prvi proizvod je 256 Kbitni pomnilnik 3 periodo 16 (*• in 7,25 % redundanco. Rockwell International Tudi tu ao začeli s 256 Kbitnimi MBM, da bi koncem leta 1980 rriorda uopeli razviLi 4 Mbitni MBM [5] . Za 256 Kbi- tno in 1 Mbitno atrukturo velja, da uporablja nesimetri- čne škamione perrnalojne vzorce. Čipi so izdelani s kon- vencionalnirni fotolitografakimi postopki, vendar 30 uspe- 11 zmanjšati medvzorono razdaljo (gap) na 0,5AI . Za tvorbo magnetnega polja uporabljajo tuljavice, tako da do:;ežejo frekvenco 100 • 150 KHz. Čip dlmenzije 1,5 x 1,5 ern ima redundanco 7,8 %. Pri Rockwellu so v želji za povečanjera kapaoiteto (4 Mbltov) uporabili novo teh- nologljo "ionska implementacija atlčnih diskastih vzor- cov" (Ion-itnplementation contlguoua diak propagation pa- ttcrns). Pr^ednoat tega novega postopka je v tem, da med vzorci, ki so manjši, ni presledkov in 3 tem dosežejo veliko vcčje gostote in višje propagacijske frekvcnce. Texa:i Tnatfumcnta V letu 1977 ao začeli pri TI izdelovatl prve MBM z neko- liko yvoj:;ko organizacijo (90 Kbitov). Redundančnih zank je bilo 8,3 %, uporabLli pa so T obliko propaguoijskih permalojtiili vzorcev. TakSna oblika vzorcev je dopuščala le propagacij:.ike frokvence 50 KHl'., zato ao prl naaled>- njem 2'l8,75 Kbitnum MIIM uporabili nesimetrietie škarnlone vzorce (pcrioda 16 (a), tako da 110 dvignili frekvenco na 100 Kllz. Leta 1979 ao Izdelali MBM kapacitete 1 Mbit, z tioatoto 10 bitov/cm" [6J . Japonska: Fu.| i Lsu, K,-iwa.-;akl 6'l Kbittii MBM jo predatavlJal začetok pri tem vodilnem japunakcm prol iv.va jalou in je apecifičen v tem, da vae- buje tieaiincLrLonu polmosečnc obl ike vzorcev (half-diaks or cruaeonta). Hazvili :;o tudi že 256 Kbitni MBM. KoL j) Perioda propaKao.iJakega vzorca jo dolooeria z goome- trij.skinii la::lnu:;lmi vzorea iu inudvzorčiiu razdal jo (gap). posebnost pa naj omenimo tudi to, da t;o prl Fu.jitan.ju u;;- rnerili razvoj v izgradnjo speclfičnoK/i pjinni Lni:";ki*(r..-i mc- dija, tako imenovane rnehurčne pomnilniSke ka:;cl.i; (m-i|?i(!- tic bubble oassette nieinory) totalne kap.-iciteLu Y'i Khltov [3] • Celoten kasetni pomnilniški niaLem .se.-it.avl ja Jo no- ailec kasete, kaseta in kontrolna enota. Ka.«.-L.i jf- :i >'H pinaklm priključkom povezana n ka:;etniml no::.i lccm, je hitro zamenljiva, sorazmerno majhna (6Ox'lbxi'O ruii), pro- izvajalec pa zagotavlja njeno praktično uporabnu:;L. Hitachi, Kokobun.jl Prvi Hitchijev proizvod je imel kapacjitet-o 6'l Klut.nv in je uporabljal T obliko propagiicijakih clumontov .••. ^Tio- do 20(W.. Ta MBM je imel od 131 apomimikiti zank 0 r'<.'clun- dadančnih. Kasneje ao tudi pri Hitachiju proSli 11:1 :'ikar- nione oz. polmesečne obllke propagacij:ikih vzofcev. Na- alednji proizvod Je bil 256 Kbitni pomnlLnik z 7,9 ", ru- dundanco in 100 KHz propagacijako frekvonoo. Predinj:;t. tega proizvajalca je, da je razvil mehurčni poiMiillrn:"ikl siatem (MBD), to je tiskanino, ki vaobujc šLifi ?'jb Kl)i- tne MBM in podpbrne či'pe. Napajanjc MBD je enotno (+'jV), vse ostale potrebne napetosti (-5V, +20V) no '/.gcin-riraru' 3 DC-DC pretvornikom, ki je tudi na toj ploSči. MMD je zgrajen tako, da je direktno pr.ikl jučl jiv na mikmraču- nalniške sisterae s proceaorjem 18080 ali M08(JO ['0 . NEC, Kawasuki Propagaoijaki vzorci pri tem proizvajalou :)o nukoliko svojski, imajo Y-Y obliko. Tako 30 zgradil 1 6'l KbiLni MHM z redundanoo 15 % (paket dveh oipov). Polv.kuaali :x> /. vc- lativno visoko propagaoij:;ko frekvenco JCK) Kli/. (pri .^'V napajanju). Nadaljni razvoj je potekal na \ i? Kbittu.-m ei- pu z 8,3 % redundarioo. Evropa: V Evropi se jo z ra/.vojem MHM ukvarjalo nukaj prnizvajal- cev, ki pa 30 večinonia delali v aodulovanju v. aincfLškiiiil proizvajalci (PhiHlpn, Siemctia). Sunout.o,jiil cazvoj J«.- potekal le pri angleškem proi/.vajalou Plu.".ai:y Mii'rM.iyr,- tems. Začetek Je bil y.v. v leitu 1969, v luLu 1«J77 pa ::o izdelali 6't Kbitni MUM, katerega ziiačiliioat jo La, da J<_- čip inajhnih diinenzij (2x? cin). Uporabl .jajo kunviMiciuiialrui tehnologlje, žkarn.ičiu: propagacij.'ikc v/.orce :•• purioiln 16M.. Uspelo pa Jiin je izdclaLi Ludi i"j() Kliitni pmntii Inik. l.eLo 78/79 80/ Rl 1T78T ZDA Jnponaka liVropa 2,2 1,0 0,8 llH V-' • M.O 1 H) 40 Skupaj milj. $ 'I,U 180 Tabela 1. avetovna pi-oizvoclnja MBM v milijon dolarjih Pričaki)val.i jci, (i.i :;..- IM v naalcilnjili lt-l.ili ijroii-.vmtn.i.i MBM liiočno pnv- aogla vrudiio:;!. r>iKJ mi I i Ji>iu>v dul.irji.-v. 1'fLi". ik. >v.a. i Jc Lu- dl, da bodi) :U.f<>akl z.i jzdelavu MltM mivim |>iilli (iv. 75 ll25 mc/bit v letu 1978 na 1 m0/bit leta 1985), kar je razvidno iz alike 5. cijake frekvenoe. Tipični čaai dontopa za 2136 Kbitiii MBM ;30 3 + 10 ma. f <- 1' Slika 5. m* »*° • nn 5. NAMIiiSTO ZAKLJUCKA . Dejatvo je, da MBD v aebi združujejo zelo bogato atruk- turo ln kornplekano delovanje. Proizvajaloi težijo k teniu, da bi poatala tnko atruktura MBM, kot oelotnega MBD bolj integrirana in enoatavnejša za vkljueevanje v mikroraču- nalnlški Miatem..To pa zahteva od naortovalca mehurčnega pomiiilriir.kega aiatema, da je soočen tako 3 fizikalno te- hnološkimi l.a.'itnostmi MDM, kakor tudi z načinom vklju- čitve MBM v meliurčni pomnilniaki aistem. Zagotovo lahko Lrdiino, da Ju današnja podporna oprema, ki spremlja MBM, več ali rrianj apeeifična za določene mikroračunalniške siatemc, vendar ac proizvajaloi trudijo pri načrtovanju enotno ininiiaalne podporne oprenie. Vme.iniki naj bi bili stnndj.irdizitvini in naj bi iraeli možnoat korigiranja na- pak in vcliko utopnjo redundanoe. Zfinoiiljivont dolovanja tegii pomnilniakegfi medija lahko štejemo v njegovo dodatno odliko, saj je maksimalna ver- Jelnoat naiitopa napake v poinnllniškem aistemu 10 , v snmum-MNM pa cclo 10" . Eventuelne napake se najčešče pojavijo v MBD, bodi:ji v riapajalnem modulu ali v detek- torjili.3igiial.ov in Jih je mogoče zmanjšati z uatreznim. 'načrtovanjem titikane plošče, na kateri Je ta podporna o- preina inutalirnnn. EfekL ataranja akorčijda nima vp.liva na '/.aneKlJivoat delovanja mehurčriega pomnilnika. Tora[jera- tura okolice ne vpliva doati iia delovnnje, saj je ener- gij:ika |x>rviba siatcmn reda 1 W. Jimi incliurčni pomniln.ik brc/. poaledio priinčai*. '/.utianjti magnetno polje jakoati do 1600 /m (čipl ao obdani s 1'cranagnotno oblogo). Uoinkovitost pomnilniških ai.steinov ovrednostimo a čaaom doato|xi (acousa time), ta pa Jo pri moliuroiilh poriiMilnikih odviana od organlvsaoijo pomnilniakili oeliu in propaga- '!) Velikoat.1 minorakili zank, ki pomnijo informaoijo K proizvodnji MBD sodl tudi predhodnc ntaUčno, din.imič- no in parametrično teatiranje koniponcnl., kL ,ji: (•bič.ijno združeno v ATE (automatic te:jt eqiupm'.:nt.). ZKrajcni Le:i- tni aistemi so še razmeroma dragi (l'5O + 20i) tlaoč dol.ar- Jev), vendar pa jo enoatavnejse teatLrvinJo (ki. riMva>.lnl6, pp i<)0\-\9?b, 1967 [2] C.P.HOftll.CHAHIJ: Il-l-K Trana.ttignctiua, Tj.pp 9'l'5-952, 1977. ["il T.MOHIKAWA: Eloot.ronh; KiiBincoriti).', pp 9'j-101 , "l;leb. 19H0 ['l] Y.KITA, N.YAMA(HICIU, M.SIK'Mt: S S. YOSI1IZAWA: IHEK Ti-aiis.on O)inpuLL.-ra, Vol. C-?S), No.2, |)p 89-96 l;'t;bfiiary 1980 [5] Eloot.fonic, pp l||-'l,'.', M-iy l'.)80. ' "^ [6J R.E.FOMTANA, 11.C.BUU.OCK' K S.K.aiNfill: IKKK Trana. on l-1-iKiu.'l.ioa, Vol . MAG-16, Mo. lj, Supt. 1980 [7] P.NEWHAN: ElooliMiiic liiiglnuor.iii«, pp. I|j-'i8, Supt.. r 1 )m LBJ D.J.IIUNTEH: EleoLfonit; Englriecring, pp. "i'J-51, July 1979 [9] L.WA1.1.I-:S: fcUecLronio, pp 8O-8L, M.ifcili 1979