До напівпровідникової оперативної пам'яті в тих же цілях використовувалися феромагнітні кільця. Історія розвитку магнітної пам'яті почалася в 50-х роках і ще не закінчилася.
Найчастіше незримий вершитель доль у всесвіті інформаційних технологій, відібравши шанс у одній з них, повертає його через якийсь час. Мовляв, ну що ж, тоді я був не в дусі і віддав пальму першості твоєї суперниці. Зате тепер у тебе є всі шанси показати на що ти підходиш. Тим більше, що за минулий час ти напевно настоялась, як дорогий коньяк, і виявиш себе у всій красі.
Ми настільки звикли до того, що в пам'ять в сучасних цифрових гаджетах реалізована на напівпровідникових елементах, що не допускаємо і думки про те, що раніше, а вже тим більше в доступному для огляду майбутньому, все може змінитися, і конденсатори з транзисторами, що становлять основу осередків сучасної оперативної і флеш-пам'яті, поступляться насиджене місце переможеним ними колись конкурентам - магнітів.
Ця історія стала результатом мого інтересу до унікальних елементів пам'яті, якими був оснащений дивовижний в усіх відношеннях ноутбук з минулого GRiD Compass 1101. У той час, коли більшість його побратимів оснащувалися 5,25 "дисководами, GRiD Compass мав на борту те, що зараз ми називаємо SSD або твердотільними накопичувачами. При цьому зроблені вони були зовсім не на напівпровідниках, а також, як і дискети менш просунутих ноутбучних побратимів, використовували магнітну технологію. Правда, особливого роду. Це було неймовірно, і я захотів розібратися в цій т хнологіі. Тоді я не знав, яку дивовижну історію подарує мені мою цікавість. Історію допитливого розуму, унікальною інтуїції і незвичайною комерційної кмітливості однієї єдиної людини.
Це - розповідь про винахід елементів пам'яті, що використовують магнітні властивості речовини. Технології, котра прожила недовге життя, відданої забуттю і знайденої заново на новому витку технологічної еволюції.
Володар кілець. Комп'ютерна пам'ять 50-х
Давайте визнаємо - сучасні технології напівпровідникової пам'яті - компроміс, нав'язаний споживачу мікроелектронної промисловістю. Напевно, немає нічого гіршого, ніж формувати значення двійковій одиниці, загнавши натовп таких енергійних створінь, як електрони, в пастку конденсаторів (як це відбувається в мікросхемах сучасної оперативної пам'яті) або транзисторних затворів (як це реалізовано в пам'яті флеш). Мало того, що в'юнкі електрони незважаючи ні на які затвори намагаються витекти з осередку-темниці, що вимагає в модулях оперативної пам'яті періодичної перезапису елементів, так, вибігаючи з неї на свободу, вони намагаються нагріти все навколо своєї невгамовною енергією. Про нинішнього лідера ринку постійної перезаписуваної пам'яті - технології флеш (неважливо якого типу - NAND або NOR) і говорити не доводиться. Адже для того, щоб загнати електрони під затвор транзистора-осередки, потрібно імпульс такої сили, який осередок цю частково і руйнує. Обмежуючи тим самим кількість циклів перезапису і зробивши питання про надійність SSD одним з найактуальніших серед пошукових запитів в інтернеті.
Тим часом, ще з часів розробки перших цифрових ЕОМ інженерам була відома сила, в тій чи іншій мірі властива будь-якої речовини у Всесвіті. Магнітна взаємодія тел відкрито давним-давно і досить добре вивчено, щоб зрозуміти: намагніченість об'єкта відмінно підходить для зберігання цифрової інформації. Не в останню чергу тому, що магнетизм тісно пов'язаний з електрикою, і як породити потік тих самих електронів, використовуючи магнетизм об'єкта, відомо ще з часів Фарадея.
Ось чому розробляючи прототипи пам'яті з довільним доступом для перших цифрових ЕОМ, інженери особливо не замислювалися про вибір технології. Ідея була проста: магнітне поле зберігає біт інформації, принцип електромагнітної індукції витягує цей біт у вигляді імпульсу індукційного струму. Все просто.
Визначившись з принципом, інженери вели експерименти з матеріалами, найбільш ефективно зберігають інформацію у вигляді залишкової намагніченості і способами її перетворення в потік електронів.
Результатом їх досліджень стала пам'ять на магнітних сердечниках (magnetic core memory), де осередком зберігання виступало кільце з магнітно-твердого речовини фериту, в хімічній основі якого лежать різні сполуки оксиду заліза.
Унікальною особливістю фериту є практично прямокутна петля магнітного гістерезису. Її верхня межа відповідає залишкової намагніченості кільця, яке використовують в якості логічної одиниці, межа протилежної залишкової намагніченості відповідає логічному нулю.
Не будемо вдаватися в подробиці формування та зчитування інформації з феритового кільця - осередки magnetic core memory, про це можна прочитати в масі джерел і навіть подивитися інтерактивний курс. Зупинимося на технологічні проблеми, з якими зіткнулися розробники пам'яті на магнітних сердечниках.
Фактично, модуль такої пам'яті був полотно і чотирьох переплетених між собою проводів, відповідальних за порушення магнітного поля різної спрямованості, зчитування даних і заборони (в разі запису в комірку логічного нуля).
Феритові кільця розташовувалися в перехресті цих проводів, утворюючи вид високотехнологічної кольчуги. І головною проблемою (якщо не брати до уваги необхідність підтримки певної (зазвичай високою) температури феритових кілець) є складність плетіння цієї кольчуги. Очевидно, що для пам'яті великого обсягу потрібно більше осередків, що має на увазі штампування великого числа кілець і складну процедуру їх вплетення в дроти. При цьому робити таку ферррітовую пам'ять у вигляді гігантського гобелена було і технічно і економічно недоцільно.
Один із способів "плетіння" пам'яті на магнітних сердечниках
Смішно, звичайно, вивісити поруч з ЕОМ такий собі килим і хвалитися всім: а це - наша оперативна пам'ять. Тому ферріторую кольчугу вплітали в невеликі за обсягом модулі, на зразок п'ялець для вишивання. Найбільш відому техніку плетіння таких модулів ємністю 16х16 біт (ємність 256 біт) в той час розробила британська компанія Mullard. Існували варіації і побільше, наприклад, 32х32 біта (ємність 4096 біт). Такі модулі послідовно з'єднувалися в секції, з яких монтувалися так звані ферритові куби - одиниці пам'яті, що підключаються до ЕОМ.
256-бітний модуль магнітної пам'яті від компанії Mullard
Ферітовий куб в збірці
Очевидно, що і в процес плетіння модулів і в процес складання феритових кубів вкрадається помилки (робота адже була практично ручна), що призводило до збільшення часу налагодження та усунення неполадок.
У пошуках компромісного рішення інженери вирішили спробувати замість кілець застосувати ферритові пластини. У таких пластинах ідея ферритового кільця була зведена в абсолют. По суті, вся поверхня пластини була феритовим кільцем з безліччю отворів, крізь які просмикувалися керуючі дроти. Процес виготовлення пам'яті на феритових пластинах був дещо простіше. Але, все-таки, це була варіація того ж самого плетіння пам'яті-кольчуги.
Саме завдяки злободенного питання трудомісткості розробки пам'яті на феритових кільцях у співробітника лабораторії Bell Labs Ендрю Бобек з'явилася можливість проявити свій винахідницький талант.
Twistor memory. Зоряний танець інженера Бобек
Завдяки своїм винаходам Ендрю Бобек удостоєний численних нагород від різних наукових і інженерних співтовариств
Все більш активне використання цифрових ЕОМ в системах комутації каналів вимагало все більшої ємності запам'ятовуючих пристроїв. Ну а оскільки базовою технологією того часу була пам'ять на магнітних кільцях, інженери ATT в повній мірі відчули "пределсті" створення оперативної пам'яті для своїх машин.
Одним з цих інженерів і був Ендрю Бобек, в 1949 році прийшов на роботу в Bell Labs з університету штату Індіана.
Бобек вирішив кардинально змінити напрямок досліджень і запропонувати альтернативу екстенсивним шляхом вдосконалення пам'яті на феритових кільцях. Першим питанням, яке він задав самому собі, був: "чи обов'язково в якості матеріалу зберігання залишкової намагніченості використовувати магнітно-тверді матеріали на зразок фериту?". Адже не у них одних підходяща реалізації пам'яті і петля магнітного гістерезису. У техніці давно відомі магнітно-м'які сплави, що володіють відповідними властивостями. В першу чергу до них відносяться сплави заліза з нікелем (пермаллой), заліза з нікелем і кобальтом (пермендюр) і заліза з кремнієм (трансформаторна сталь).
Форма петлі магнітного гістерезису різних магнітно-твердих і м'яких феромагнетиків
Бобек почав експерименти з пермаллоев. Завдяки своїм фізичним властивостям, цей сплав легко розкочувався в дуже тонку фольгу, не втрачаючи при цьому своїх магнітних властивостей. І Бобек прийшла в голову ідея: чому осередки в магнітної пам'яті повинні бути саме у вигляді кілець? Адже кільцеподібні структури можна отримати, просто завдавши фольгу з пермаллоя на несучий дріт під необхідним для правильного намагнічування кутом у сорок п'ять градусів. Бобек назвав такий провід твістор-кабелем, в честь модного в той час кручу-верчу танцю твіст (twist по-англійськи - "кручення").
Спрощена схема твістор пам'яті
Промисловий зразок твістор пам'яті з запакованим у поліетилен твістор-кабелями
Запропонувавши замінити магнітні кільця твістор-кабелем, Бобек, фактично, вирішив проблему створення як завгодно великих за обсягом масивів пам'яті. Адже довгу поліетиленову стрічку, з упаяними в неї твістор, можна компактно згорнути гармошкою, перемежовуючи шари мідними шинами.
Унікальною особливістю твістор пам'яті з'явилася можливість читання або запису цілого рядка пермаллоєвих псевдоколец, що знаходяться на паралельних твістор-кабелях, що проходять над однією шиною. Це істотно спрощувало конструкцію модуля твістор пам'яті в порівнянні з пам'яттю на кільцях, позбавляючи її додаткових проводів заборони.
Ось так, використовуючи дивовижні властивості пермаллоя, інженер Бобек розробив одну з найефективніших модифікацій магнітної пам'яті того часу. Ідея твістор пам'яті настільки сильно вразила керівництво Bell Labs, що на її комерциализацию були кинуті значні сили і засоби.
Агресивний наступ по всіх фронтах напівпровідникової пам'яті, її мікромініатірізація на основі відпрацьованого циклу створення інтегральних мікросхем, а також простота впровадження в уже існуючі мікропроцесорні рішення (наробітку все тієї ж Intel зробило історією не тільки свежеразработанную твоістор пам'ять, а й пам'ять на магнітних сердечниках в цілому.
Звичайно, твістор пам'ять застосовувалася в ряді проектів ATT майже до середини вісімдесятих років минулого століття. Але це була, скоріше, агонія, ніж прогрес.
Втім, один позитивний момент від розробки твістор пам'яті все ж був. Досліджуючи магнітострикційний ефект в поєднаннях плівок пермаллоя з ортоферріти (ферритами на основі рідкоземельних елементів), інженер Бобек помітив одну їх особливість, пов'язану з намагнічуванням. Особливість, яка привела до розробки дивовижною бульбашкового пам'яті (bubble memory). Тієї самої, що встановлювалася у прадідуся ноутбуків GRiD Compass 1101.