Burbuja de memoria
La memoria de burbujas es un tipo de memoria informática no volátil que utiliza una película delgada de un material magnético para contener pequeñas áreas magnetizadas, conocidas como burbujas o dominios, cada uno de los cuales almacena un bit de datos. El material está dispuesto para formar una serie de pistas paralelas por las que las burbujas pueden moverse bajo la acción de un campo magnético externo. Las burbujas se leen moviéndolas hacia el borde del material, donde pueden ser leídas por un captador magnético convencional, y luego se vuelven a escribir en el borde lejano para mantener la memoria ciclando a través del material. En funcionamiento, las memorias de burbuja son similares a los sistemas de memoria de línea de retardo.
La memoria de burbujas comenzó como una tecnología prometedora en la década de 1970 y ofrecía una densidad de memoria similar a la de los discos duros, pero con un rendimiento más comparable al de la memoria central y carecía de piezas móviles. Esto llevó a muchos a considerarlo un candidato a "memoria universal" que podría ser utilizado para todas las necesidades de almacenamiento. La introducción de chips de memoria de semiconductores dramáticamente más rápidos empujó la burbuja hacia el extremo lento de la escala, y las mejoras igualmente dramáticas en la capacidad del disco duro la hicieron poco competitiva en términos de precio. La memoria de burbujas se usó durante algún tiempo en las décadas de 1970 y 1980, cuando su naturaleza inmóvil era deseable por razones de mantenimiento o protección contra golpes. La introducción del almacenamiento flash y tecnologías similares hizo que incluso este nicho fuera poco competitivo y la burbuja desapareció por completo a fines de la década de 1980.
Historia
Precursores
La memoria de burbujas es en gran medida la creación de una sola persona, Andrew Bobeck. Bobeck había trabajado en muchos tipos de proyectos relacionados con el magnetismo durante la década de 1960, y dos de sus proyectos lo colocaron en una posición particularmente buena para el desarrollo de la memoria de burbujas. El primero fue el desarrollo del primer sistema de memoria de núcleo magnético impulsado por un controlador basado en transistores, y el segundo fue el desarrollo de la memoria twistor.
Twistor es esencialmente una versión de memoria central que reemplaza a los "núcleos" con un trozo de cinta magnética. La principal ventaja de twistor es su capacidad para ser ensamblado por máquinas automatizadas, a diferencia del núcleo, que era casi completamente manual. AT&T tenía grandes esperanzas en twistor, creyendo que reduciría en gran medida el costo de la memoria de la computadora y los colocaría en una posición de liderazgo en la industria. En cambio, las memorias DRAM salieron al mercado a principios de la década de 1970 y reemplazaron rápidamente todos los sistemas de memoria de acceso aleatorio anteriores. Twistor terminó usándose solo en unas pocas aplicaciones, muchas de ellas en las propias computadoras de AT&T.
Se notó un efecto secundario interesante del concepto twistor en la producción: bajo ciertas condiciones, pasar una corriente a través de uno de los cables eléctricos que corren dentro de la cinta causaría que los campos magnéticos en la cinta se movieran en la dirección de la corriente. Si se usaba correctamente, permitía que los bits almacenados fueran empujados hacia abajo en la cinta y salieran del extremo, formando un tipo de memoria de línea de retardo, pero en la que la propagación de los campos estaba bajo el control de la computadora, en lugar de avanzar automáticamente a una velocidad determinada. tarifa fija definida por los materiales utilizados. Sin embargo, dicho sistema tenía pocas ventajas sobre twistor, especialmente porque no permitía el acceso aleatorio.
Desarrollo
En 1967, Bobeck se unió a un equipo de Bell Labs y comenzó a trabajar para mejorar el twistor. La densidad de memoria de twistor era una función del tamaño de los cables; la longitud de cualquier cable determinaba cuántos bits contenía, y muchos de esos cables se colocaron uno al lado del otro para producir un sistema de memoria más grande.
Los materiales magnéticos convencionales, como la cinta magnética utilizada en twistor, permitían colocar la señal magnética en cualquier lugar y moverse en cualquier dirección. Paul Charles Michaelis, trabajando con películas delgadas magnéticas de permalloy, descubrió que era posible mover señales magnéticas en direcciones ortogonales dentro de la película. Este trabajo seminal condujo a una solicitud de patente. El dispositivo de memoria y el método de propagación se describieron en un documento presentado en la 13ª Conferencia Anual sobre Magnetismo y Materiales Magnéticos, Boston, Massachusetts, el 15 de septiembre de 1967. El dispositivo utilizaba películas magnéticas delgadas anisotrópicas que requerían diferentes combinaciones de pulsos magnéticos para direcciones de propagación ortogonales. La velocidad de propagación también dependía de los ejes magnéticos duro y fácil. Esta diferencia sugirió que sería deseable un medio magnético isotrópico.
Esto llevó a la posibilidad de hacer un sistema de memoria similar al concepto de twistor de dominio móvil, pero usando un solo bloque de material magnético en lugar de muchos cables de twistor. Bobeck comenzó a trabajar para ampliar este concepto utilizando ortoferrita y notó un efecto adicional interesante. Con los materiales de cinta magnética utilizados en twistor, los datos debían almacenarse en parches relativamente grandes conocidos como dominios. Los intentos de magnetizar áreas más pequeñas fracasarían. Con la ortoferrita, si se escribiera el parche y luego se aplicara un campo magnético a todo el material, el parche se encogería hasta convertirse en un pequeño círculo, al que llamó burbuja. Estas burbujas eran mucho más pequeñas que los dominios de los medios normales como la cinta, lo que sugería que eran posibles densidades de área muy altas.
Cinco descubrimientos significativos tuvieron lugar en Bell Labs:
- El movimiento controlado bidimensional de dominios de paredes individuales en películas permalloy
- La aplicación de ortoferrites
- El descubrimiento del dominio cilíndrico estable
- La invención del modo de operación de acceso a campo
- El descubrimiento de la anisotropía inducida por el crecimiento en el sistema de granate y la realización de que los granos serían un material práctico
El sistema de burbujas no puede describirse mediante un solo invento, sino en términos de los descubrimientos anteriores. Andy Bobeck fue el único descubridor de (4) y (5) y co-descubridor de (2) y (3); (1) fue interpretada por P. Michaelis en el grupo de P. Bonyhard. En un momento, más de 60 científicos estaban trabajando en el proyecto de Bell Labs, muchos de los cuales obtuvieron reconocimiento en este campo. Por ejemplo, en septiembre de 1974, H.E.D. Scovil, PC Michaelis y Bobeck recibieron el premio IEEE Morris N. Liebmann Memorial Award del IEEE con la siguiente mención: Por el concepto y desarrollo de dominios magnéticos de pared simple (burbujas magnéticas) y por el reconocimiento de su importancia para la tecnología de la memoria.
Tomó algún tiempo encontrar el material perfecto, pero se descubrió que algunos granates tenían las propiedades correctas. Las burbujas se formarían fácilmente en el material y se podrían empujar a lo largo de él con bastante facilidad. El siguiente problema era hacer que se movieran a la ubicación adecuada donde pudieran volver a leerse: twistor era un cable y solo había un lugar para ir, pero en una hoja 2D las cosas no serían tan fáciles. A diferencia de los experimentos originales, el granate no restringió el movimiento de las burbujas en una sola dirección, pero sus propiedades de burbuja eran demasiado ventajosas para ignorarlas.
La solución fue imprimir un patrón de pequeñas barras magnéticas en la superficie del granate, llamados elementos de propagación. Cuando se aplicaba un pequeño campo magnético, se magnetizaban y las burbujas se 'pegaban'. a un extremo. Al invertir entonces el campo, serían atraídos hacia el otro extremo, moviéndose hacia abajo en la superficie. Otra inversión las haría saltar del extremo de la barra a la siguiente barra de la línea, y así sucesivamente, controlando o guiando la dirección de viaje de las burbujas. Las barras/guías en T, con la forma de las letras, se utilizaron en los primeros diseños de memoria de burbujas, pero luego se reemplazaron por otras formas, como los chevrones asimétricos. En la práctica el campo magnético gira y es proporcionado por un par de bobinas, que producen un campo magnético giratorio en los ejes X y Z, es este campo magnético giratorio el que mueve las burbujas en la memoria.
También se consideraron las películas magnéticas amorfas, ya que tenían un mayor potencial para mejorar las memorias de burbujas en comparación con las películas magnéticas de granate; sin embargo, la experiencia existente con las películas de granate significó que no ganaron terreno. Las películas de granate tienen las mismas o mejores propiedades magnéticas que las películas de ortoferrita, que en comparación se consideraron menos prometedoras. Los materiales de granate (como películas sobre un sustrato) podrían permitir velocidades de propagación de las burbujas más altas (velocidad de la burbuja) que las ortoferritas. Las burbujas duras son más lentas y más erráticas que las burbujas normales, un problema que a menudo se soluciona mediante la implantación de iones de la película magnética granate con neón, y también se puede hacer recubriendo la película magnética granate con permalloy.
Un dispositivo de memoria se forma alineando pequeños electroimanes en un extremo con detectores en el otro extremo. Las burbujas escritas se empujarían lentamente unas con otras, formando una hoja de tornados alineados uno al lado del otro. Al conectar la salida del detector a los electroimanes, la hoja se convierte en una serie de bucles, que pueden contener la información todo el tiempo que sea necesario.
La memoria de burbuja es una memoria no volátil. Incluso cuando se cortó la energía, las burbujas permanecieron, tal como lo hacen los patrones en la superficie de una unidad de disco. Mejor aún, los dispositivos de memoria de burbujas no necesitaban partes móviles: el campo que empujaba las burbujas a lo largo de la superficie se generaba eléctricamente, mientras que los medios como las unidades de cinta y disco requerían movimiento mecánico. Finalmente, debido al pequeño tamaño de las burbujas, la densidad era en teoría mucho mayor que la de los dispositivos de almacenamiento magnético existentes. El único inconveniente fue el rendimiento; las burbujas tenían que desplazarse hasta el final de la hoja antes de poder leerlas.
Un dispositivo de memoria de burbujas consta de una carcasa que alberga una placa de circuito impreso con conexiones a uno o más chips de memoria de burbujas, que pueden ser translúcidos. El área alrededor de los chips en la PCB está rodeada por dos devanados hechos de alambre de cobre u otro material conductor de electricidad, que en su mayoría envuelven el área, dejando algo de espacio para que la PCB pase a través de los devanados y se conecte a los chips. Los devanados están enrollados en direcciones opuestas entre sí, por ejemplo, un devanado tiene alambres orientados a lo largo del eje X y el otro devanado tiene alambres a lo largo del eje Z. Los devanados, a su vez, están rodeados por dos imanes permanentes, uno debajo y otro encima de los devanados. Esto forma un conjunto alojado dentro de la caja que actúa como un escudo magnético y forma un camino de retorno magnético para el campo magnético de los imanes. Los imanes permanentes son críticos; crean un campo magnético estático (CC, corriente continua), utilizado como un campo de polarización que permite retener el contenido de la memoria, en otras palabras, permiten que las memorias de burbujas no sean volátiles. Si se quitan los imanes, todas las burbujas desaparecerán y, por lo tanto, se eliminarán todos los contenidos. Los devanados crean un campo magnético giratorio paralelo a la orientación de la memoria de la burbuja, alrededor de 100 a 200 khz. Esto moverá o impulsará las burbujas en la película magnética de una manera algo circular, guiadas o restringidas por los elementos de propagación. Por ejemplo, el campo magnético giratorio puede obligar a las burbujas a circular constantemente alrededor de bucles, que pueden ser alargados y están definidos por la ubicación de los elementos de guía.
Para permitir que las burbujas se muevan alrededor de los chips de burbujas y guiarlos a través del chip, los chips tienen algún tipo de patrón hecho de metal ferromagnético que puede incluir, por ejemplo, cheurones asimétricos. Por ejemplo, las burbujas pueden moverse alrededor de los bordes de los cheurones. Los patrones pueden llamarse elementos de propagación, ya que permiten que las burbujas se muevan o se propaguen a través de él. Definen caminos para que las burbujas se almacenen y se recuperen para su lectura y el campo magnético giratorio mueve las burbujas a lo largo de estos caminos. Para la memoria de burbujas, se utiliza un material como el gadolinio galio granate como sustrato en los chips. Encima del sustrato hay una película magnética (anfitrión de burbujas o película/capa de burbujas) como un granate que contiene gadolinio o, más a menudo, un granate de hierro de itrio sustituido de cristal único que contiene las burbujas magnéticas, que crece epitaxialmente con epitaxia en fase líquida. con fundente de óxido de plomo como el líquido con óxido de itrio y otros óxidos, y luego la película se dopa con la implantación de iones de uno o varios elementos, para reducir las características indeseables. El proceso de epitaxia se llevaría a cabo con un crisol de platino y porta obleas. Los chevrones y otras partes se construyen sobre la película. Los elementos de propagación, incluidos los chevrones, pueden estar hechos de un material como permalloy de níquel-hierro. Los materiales de las memorias de burbujas se eligen principalmente por sus propiedades magnéticas. El granate de gadolinio y galio se usa como sustrato porque puede soportar el crecimiento epitaxial de películas de granate magnético y no es magnético, aunque algunas memorias de burbujas usaron sustratos de níquel-cobalto en su lugar.
Se propuso el uso de elementos de propagación formados por implantación de iones en lugar de permalloy, para aumentar la capacidad de memoria de burbuja a 16 Mbit/cm2.
Comercialización
El equipo de Bobeck pronto tuvo memorias cuadradas de 1 cm (0,39 pulgadas) que almacenaban 4096 bits, lo mismo que un plano estándar de memoria central en ese momento. Esto despertó un interés considerable en la industria. Las memorias de burbujas no solo podían reemplazar el núcleo, sino que también parecían poder reemplazar las cintas y los discos. De hecho, parecía que la burbuja de memoria pronto sería la única forma de memoria utilizada en la gran mayoría de las aplicaciones, siendo el mercado de alto rendimiento el único al que no podrían atender.
La tecnología se incluyó en dispositivos experimentales de Bell Labs en 1974. A mediados de la década de 1970, prácticamente todas las grandes empresas de electrónica tenían equipos trabajando en memoria burbuja. Texas Instruments presentó el primer producto comercial que incorporó memoria de burbuja en 1977 y presentó la primera memoria de burbuja disponible comercialmente, la TIB 0103 con capacidad de 92 kilobits. A fines de la década de 1970, había varios productos en el mercado e Intel lanzó su propia versión de 1 megabit, la 7110, en 1979. Sin embargo, a principios de la década de 1980, la tecnología de memoria burbuja se convirtió en un callejón sin salida con la introducción de sistemas de disco duro que ofrecían una mayor densidades de almacenamiento, mayores velocidades de acceso y menores costos. En 1981, las principales empresas que trabajaban en la tecnología cerraron sus operaciones de memoria burbuja, en particular Rockwell, National Semiconductor, Texas Instruments y Plessey, dejando un 'big five'. grupo de empresas que sigue buscando la "burbuja de segunda generación" en 1984: Intel, Motorola, Hitachi, Sagem y Fujitsu. Las memorias de burbuja de 4 megabits, como Intel 7114, se introdujeron en 1983 y se desarrolló la memoria de burbuja de 16 megabits.
La memoria de burbujas encontró usos en nichos de mercado durante la década de 1980 en sistemas que necesitaban evitar las tasas más altas de fallas mecánicas de las unidades de disco y en sistemas que operan en entornos hostiles o de alta vibración. Esta aplicación también se volvió obsoleta con el desarrollo del almacenamiento flash, que también trajo beneficios de rendimiento, densidad y costo.
Una aplicación fue el sistema de videojuegos arcade Bubble System de Konami, presentado en 1984. Presentaba cartuchos de memoria de burbujas intercambiables en una placa basada en 68000. El sistema de burbujas requería un "calentamiento" tiempo de aproximadamente 85 segundos (indicado por un temporizador en la pantalla cuando se enciende) antes de que se cargara el juego, ya que la memoria de burbuja debe calentarse a alrededor de 30 a 40 °C (86 a 104 °F) para funcionar correctamente. Fujitsu usó memoria de burbujas en su FM-8 en 1981 y Sharp la usó en su serie PC 5000, una computadora portátil similar a una computadora portátil de 1983. Nicolet usó módulos de memoria de burbujas para guardar formas de onda en su osciloscopio modelo 3091, al igual que HP, que ofreció un Opción de memoria de burbuja de $ 1595 que amplió la memoria en su analizador de señal digital modelo 3561A. GRiD Systems Corporation lo usó en sus primeras computadoras portátiles. La comunicación TIE lo usó en el desarrollo temprano de los sistemas telefónicos digitales para reducir sus tasas de MTBF y producir un procesador central del sistema telefónico no volátil. La memoria de burbujas también se usó en el sistema Quantel Mirage DVM8000/1 VFX.
Para almacenar las burbujas, los elementos de propagación están en pares y de lado a lado, y están dispuestos en filas llamadas bucles para almacenar las burbujas, por lo tanto, son bucles de almacenamiento ya que las burbujas que se almacenan en un bucle circularán constantemente a su alrededor., forzado por el campo magnético giratorio que también puede mover las burbujas a otros lugares. Las memorias de burbujas tienen bucles de repuesto adicionales para permitir un mayor rendimiento durante la fabricación a medida que reemplazan los bucles defectuosos. La lista de bucles defectuosos se programa en la memoria, en un bucle especial separado llamado bucle de arranque, y también suele estar impresa en la etiqueta de la memoria. Un controlador de memoria de burbuja leerá el bucle de arranque cada vez que se encienda un sistema de memoria de burbuja, durante la inicialización, el controlador pondrá los datos del bucle de arranque en un registro de bucle de arranque. La escritura en una memoria de burbuja la realiza un formateador dentro del controlador de memoria y las señales de los bits leídos en la memoria de burbuja son amplificadas por el amplificador de sentido del controlador y harán referencia al registro de bucle de arranque para evitar sobrescribir o leer más los datos. en el bucle de arranque.
Las burbujas se crean (se escribe en la memoria) con una burbuja semilla que se divide o corta constantemente mediante un trozo de alambre conductor de electricidad (como una aleación de aluminio y cobre) en forma de horquilla que utiliza una corriente lo suficientemente fuerte como para vencer localmente y invertir el campo de polarización magnética generado por los imanes, por lo que la pieza de alambre en forma de horquilla actúa como un pequeño electroimán. La burbuja de la semilla recupera su tamaño original rápidamente después del corte. La burbuja de semillas circula bajo un parche circular de permalloy que evita que se mueva a otro lugar. Después de la generación, las burbujas circulan en una "pista de entrada" y luego en un bucle de almacenamiento. Las burbujas antiguas se moverían fuera del bucle a una "pista de salida" para su posterior destrucción. El espacio dejado por las viejas burbujas estaría disponible para las nuevas. Si alguna vez se pierde la burbuja semilla, se puede nuclear una nueva a través de señales especiales enviadas a la memoria de la burbuja y una corriente de 2 a 4 veces mayor que la necesaria para cortar las burbujas de la burbuja semilla.
Las burbujas en un bucle de almacenamiento (y los espacios vacíos para las burbujas) circulan constantemente a su alrededor. Para leer una burbuja, sería "replicada" moviéndolo a un elemento de propagación más grande para estirar la burbuja, luego pasaría por debajo de un conductor en forma de horquilla para cortarlo en dos con un pulso de corriente que dura 1/4 de hercio y tiene forma de onda de punta con un borde posterior largo, esto dividiría la burbuja en dos, uno de los cuales continuaría circulando en el circuito de almacenamiento, manteniendo la burbuja y, por lo tanto, los datos seguros en caso de corte de energía. La otra burbuja se movería a una pista de salida para moverla a un detector que es un puente magnetorresistivo, hecho de una columna de cheurones de permalloy interconectados donde los cheurones están uno detrás del otro, y antes hay columnas similares de cheurones que están no interconectado. Estos estiran las burbujas para generar una mayor salida en el detector. El detector tiene una corriente eléctrica constante, y cuando las burbujas pasan por debajo, cambian ligeramente la resistencia eléctrica y, por lo tanto, la corriente en el detector, y el movimiento de las burbujas crea un voltaje del orden de milivoltios, y esto se lee como un 1 o 0. Debido a que la burbuja debe moverse a un área específica para ser leída, existen restricciones de latencia. Después del detector, las burbujas se ejecutan en una barandilla para destruirlas. Un 1 está representado por una burbuja y un 0 está representado por la ausencia de una burbuja.
Las obleas de granate de gadolinio y galio utilizadas como sustratos para los chips de burbujas tenían 3 pulgadas de diámetro y costaban 100 dólares cada una en 1982, ya que su producción requería el uso de crisoles de iridio.
Otras aplicaciones
En 2007, los investigadores del MIT propusieron la idea de usar burbujas microfluídicas como lógica (en lugar de memoria). La lógica de la burbuja usaría nanotecnología y se ha demostrado que tiene tiempos de acceso de 7 ms, que es más rápido que los tiempos de acceso de 10 ms que tienen los discos duros actuales, aunque es más lento que el tiempo de acceso de la memoria RAM tradicional y de los circuitos lógicos tradicionales, por lo que la propuesta no es comercialmente práctica en la actualidad.
El trabajo de IBM de 2008 sobre la memoria de pista de carreras es esencialmente una versión unidimensional de la burbuja, con una relación aún más estrecha con el concepto original de twistor en serie.
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