Память на магнитных сердечниках () или ферритовая память (), или ферритовое запоминающее устройство — запоминающее устройство, хранящее информацию в виде направления намагниченности небольших ферритовых сердечников (ФС), обычно имеющих форму кольца. Ферритовые кольца расставлялись в прямоугольную матрицу и через каждое кольцо проходило (в зависимости от конструкции запоминающего устройства) от двух до четырёх проводов для считывания и записи информации. Использование ФС в качестве запоминающих элементов памяти обусловлено тем, что они обладают свойством сохранять одно из двух устойчивых магнитных состояний, после того как по ним был проведён электрический импульс, приведший к намагничиванию(значения остаточной магнитной индукции; обозначаются знаками или ), что позволяет хранить информацию в двоичном коде. Память на магнитных сердечниках (ПМС) была основным типом компьютерной памяти с середины 1950-х и до середины 1970-х годов.
Принцип работы В ПМС основным компонентом хранения информации в двоичном коде являются ФС. Символы двоичного кода 0 и 1 записываются при определённом состоянии магнитной индукции ( выдаёт 1, а выдаёт 0). Если пропустить импульсы тока через провод, пронизывающий ФС, достаточные для создания магнитного поля > , то можно управлять магнитным состоянием ФСа. Если магнитное поле в состоянии , то после его снятия ФС оказывается в состоянии . Если магнитное поле в состоянии , то после его снятия ФС оказывается в состоянии . Способ создания перемагничивающего поля требуемой напряжённости, при суммировании частичных магнитных полей с помощью импульсов тока называется принципом совпадения токов.
Существовало несколько вариантов памяти на магнитных сердечниках.
Биакс
Биакс — ферритовый сердечник с двумя взаимно перпендикулярными отверстиями. Считывание информации с биакса осуществляется без разрушения информации, таким образом не требуется время на её восстановление. Использовался в некоторых ЭВМ семейства БЭСМ.
Схема совпадения токов
Схема с кольцеобразными сердечниками и четырьмя проводниками работает по принципу совпадения токов. Направление намагниченности одного ферритового кольца позволяет хранить один бит информации. Через кольцо проходят четыре провода: два провода возбуждения X и Y, провод запрета Z под углом 45°, провод считывания S под углом 90°. Для считывания значения бита на провода возбуждения подаётся импульс тока таким образом, что сумма токов через отверстие сердечника приводит к тому, что намагниченность кольца принимает определённое направление независимо от того, какое направление она имело до этого. Значение бита можно определить, измерив ток на проводе считывания: если намагниченность сердечника изменилась, то в проводе считывания возникает индукционный ток.
Процесс считывания (как и в запоминающей ЭЛТ) разрушает сохранённую информацию, следовательно, бит после считывания необходимо записать повторно.
Для записи на провода возбуждения подаётся импульс тока в обратном направлении и намагниченность сердечника меняет направление (относительно того, которое она имеет после считывания). Однако если при этом в другом направлении подаётся ток на провод запрета, то суммы токов через кольцо недостаточно, чтобы изменить намагниченность сердечника, и она остаётся такой же, как после считывания.
Матрица памяти состоит из N² кольцеобразных сердечников, нанизанных на пересечения перпендикулярных проводов возбуждения X1…XN и Y1…YN. Через все сердечники проплетается один провод считывания и один провод запрета. Таким образом, матрица позволяет считывать или записывать биты только последовательно.
Силу тока в проводах возбуждения и материал сердечника подбирают так, чтобы тока через один провод не хватило бы для изменения намагниченности сердечника. Это необходимо, поскольку на один провод возбуждения нанизано несколько десятков сердечников, а менять направление намагниченности нужно только в одном из них. Минимальная сила тока, которая может изменить намагниченность сердечника, зависит от температуры сердечника. Производители компьютерной техники решали эту проблему по-разному. Компьютеры серии PDP фирмы DEC регулировали силу тока возбуждения при помощи термистора. В компьютерах IBM матрицы памяти помещались в воздушную «духовку» или в масляную ванну, в которой поддерживалась постоянная высокая температура.
Другие варианты Существовали и другие варианты ферритовой памяти, отличающиеся как по проводке, так и по конфигурации сердечников. Например, функции считывания и запрета можно было совместить в один провод.
В некоторые компьютеры — например, в Packard Bell 440 и в некоторые ЭВМ семейства БЭСМ — ставили память не с кольцеобразными сердечниками, а с биаксами. У биакса было два перпендикулярных отверстия; через одно проходил провод считывания, через другое — провод записи. Такая схема позволяла прочесть бит без разрушения информации.
Структура Основным компонентом ПМС являются несколько ферритовых матриц, которые содержат ФС. Внутренности ферритовой матрицы расположены таким образом, чтобы количество электронной аппаратуры управления не превышало минимальных размеров, и при этом была повышена надёжность функционирования. ФЗУва для своей работы используют определённые системы организации. Самыми распространёнными являются три системы: 3-мерная, 2-мерная и 2,5-мерная (промежуточное положение между 3- и 2- мерной). Каждая из этих трёх систем имеет свои обозначающие символы: 2D'', 2,5D'', 3D.
От требований ЭВМ к памяти аппаратуры будет зависеть, какая система организации будет использована:
ФЗУа с малой ёмкостью и быстрой скоростью используют систему 2D. ФЗУа со средней ёмкостью и быстрой скоростью используют систему 2,5D. ФЗУа с большой ёмкостью и медленной скоростью используют систему 3D.
При изготовлении ПМС, использующей систему 3D, необходимо строгое соблюдение характеристик и параметров элементов (особенно ФСов), так как ПМС состоит из сотни транзисторов и интегральных микросхем, тысячи полупроводниковых диодов и миллионов ФСов.
Наиболее экономичны при изготовлении запоминающие устройства с системой организации 3D, но при этом они не обладают достаточным быстродействием; наименее экономичны с системой 2D. Запоминающие устройства с системой 2,5D позволяют при относительно небольших затратах получать высокое быстродействие и относительно большую ёмкость, из-за чего их использование в современных ЭВМ более выгодно.
История разработки Идея запоминающего устройства в виде матрицы ферритовых сердечников впервые возникла в 1945 году у Джона Преспера Экерта, одного из создателей ЭНИАКа. Его отчёт широко циркулировал среди американских компьютерных специалистов. В 1949 году Ван Ань и Во Вайдун — молодые сотрудники Гарвардского университета китайского происхождения — изобрели сдвиговый регистр на магнитных сердечниках (Ван назвал его «устройством, управляющим передачей импульсов» — pulse transfer controlling device) и принцип «запись — считывание — восстановление», который позволил использовать сердечники, у которых процесс считывания разрушает информацию. В октябре 1949 года Ван подал заявку на патент, и получил его в 1955 году. К середине 1950-х память на магнитных сердечниках уже получила широкое распространение. Ван подал в суд на IBM, и IBM пришлось выкупить патент у Вана за 500 000 $.
Тем временем Джей Форрестер в Массачусетском технологическом институте работал над компьютерной системой Whirlwind («Вихрь»). Изначальные планы использовать память на матрице запоминающих ЭЛТ к успеху не привели. В 1949 году, также как и у Вана, у Форрестера возникла идея о памяти на магнитных сердечниках. Согласно утверждениям самого Форрестера, он пришел к этому решению независимо от Вана. В марте 1950 года Форрестер со своей командой разработал ферритовую память, работающую по принципу совпадения токов; предложенная им схема с четырьмя проводами — X, Y, считывание, запрет — стала общепринятой (см. описание выше). В мае 1951 года Форрестер подал заявку на патент, и получил его в 1956 году.
Конец эпохи В 1970 году Intel выпустила память DRAM на полупроводниковой микросхеме. В отличие от памяти на магнитных сердечниках, память на микросхемах не требовала мощного источника питания при работе и кропотливого ручного труда при производстве, а её ёмкость росла экспоненциально согласно закону Мура. Таким образом в 1970-х годах память на магнитных сердечниках была вытеснена с рынка.
Однако, в отличие от полупроводников, магнитные сердечники не боялись радиации и электромагнитного импульса, и поэтому память на магнитных сердечниках некоторое время продолжали использовать в военных и космических системах — в частности, её использовали в бортовых компьютерах Шаттлов до 1991 года.
Следы эпохи повсеместного распространения ферритовой памяти остались в компьютерном термине core dump (букв. «распечатка содержимого сердечников», в современных Unix- и Linux-системах так называется файл, в который операционная система для отладки сохраняет содержимое рабочей памяти процесса), а также «прошивка» (запись в память — ферритовые ПЗУ физически прошивались проводом согласно последовательности «записанных» битов).
См. также Магниторезистивная оперативная память (MRAM) Сегнетоэлектрическая оперативная память (FeRAM)
Примечания
Литература
А. Г. Шигин, А. А. Дерюгин, Цифровые вычислительные машины. Память ЦВМ, М., 1975.
Ссылки Magnetic Core Memory Tutorial (Java-апплет) Core Memory на сайте Университета Сиднея Core Memory на сайте Колумбийского университета
Ферритовая память советских ЭВМ — коллекция виртуального музея ферритовой памяти.
Категория:Компьютерная память Категория:История компьютерной техники Категория:Энергонезависимая память