Компьютерра - Компьютерра PDA N122 (09.07.2011-15.07.2011)

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.

Один из способов "плетения" памяти на магнитных сердечниках

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.

256-битный модуль магнитной памяти от компании Mullard

Ферритовый куб в сборке

256-битный модуль магнитной памяти от компании Mullard

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.

Ферритовый куб в сборке

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.

Благодаря своим изобретениям Эндрю Бобек удостоен многочисленных наград от различных научных и инженерных сообществ

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).

Форма петли магнитного гистерезиса различных магнитно-твердых и мягких ферромагнетиков

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").

Твистор-кабель