Speicher
Speicher
2. IDT - Referat
Ronald Hasenberger 87bN
19. Februar 1987
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung 1
2. Magnetplattenspeicher 2
2.1 Mechanischer Aufbau 2
2.
1.1 Der Plattenstapel 3
2.1.2 Schreib/Lesekopf 4
2.2 Positionierung 5
2.3 Aufzeichnungsverfahren 9
3.
Magnetbandsysteme 11
3.1 Aufbau 11
3.2 Aufzeichnungsverfahren 13
3.2.1 NRZ (No Return Zero) 13
3.2.
2 PE (Phase Encoded) 14
3.2.3 GCR (Group Coded Recording) 15
4. Magnetblasenspeicher 17
4.1 Was sind Magnetblasen? 17
4.2 Manipulieren von Magnetblasen 19
4.
3 Ausführung eines Magnetblasenspeichers 23
Anhang Literaturverzeichnis 27
1. Einleitung
Ich möchte in diesem Referat aufgrund der Tatsache, daa es bereits Referate über dynamische und statische RAMs sowie über ROMs gibt, auf diese nicht mehr eingehen und mich auf Festspeicher konzentrieren.
Hier behandle ich im folgenden Magnetplattenspeicher, wobei ich in erster Linie auf Systeme für die Groß-EDV eingehe, die aber vom Prinzip und der Technik her derzeit in die PC-Technik übernommen werden.
Magnetbandsysteme werden ebenfalls hauptsächlich in der Groß-EDV eingesetzt, wobei dieses von den beschriebenen Speichersystemen wahrscheinlich jenes mit der schlechtesten Zukunft ist, da es hauptsächlich zur Archivierung verwendet wird, und heute in manchen Rechenzentren bereits Magnetplattensysteme dafür verwendet werden.
Der letzte Abschnitt in diesem Referat behandelt Magnetblasenspeicher, wobei ich hier relativ genau auf die Grundlagen eingehe, die ich in den beiden anderen Fällen voraussetze. Sie sind das neueste Speichersystem und derzeit ncoh nicht sehr verbreitet, es wird aber allgemein angenommen, daa sie in Zukunft noch stärkere Verbreitung finden.
2. Magnetplattenspeicher
Sie sind Speichersysteme, die einen relativ schnellen Zugriff auf die Daten ermöglichen, aber auch relativ teuer sind. Man unterscheidet hier zwischen zwei Arten von Plattenlaufwerken:
- Festplattensysteme
- Wechselplattensysteme
Bei ersteren kann man den Plattenstapel nicht mehr austauschen, da sich dieser in einem hermetisch verschlossenen Raum befindet, der sie vor Staub und anderen Arten von Umweltschmutz schützt.
Bei zweiteren können die Platten gewechselt werden; sie bieten dafür im allgemeinen pro Plattenstapel eine geringere Speicherfähigkeit. Zur Verringerung von Umweltschmutzeinflüssen arbeiten sie aber mit Unterdruck in einem ebenfalls sehr gut verschlossenen System, das durch ein Filter mit Luft versorgt wird. Aus diesem Grund darf auch ein Wechseplattensystem während des Betriebes nicht geöffnet werden.
Die Speicherfähgkeit von Plattensystmen liegt bei Systemen für Großrechenanlagen zwischen 144MB (Wechselplatte) und 1,8GB (Festplatte).
2.1 Mechanischer Aufbau
Bild 2.1 Mechanische Baugruppen
Wie man an Bild 2.1 erkennen kann, besteht ein Magnetplattengerät zunächst aus dem eigentlichen Plattenstapel der entweder (bei Wechselplatten) ausgetauscht werden kann, oder aber (bei Festplatten) fest integriert ist. Auf diesen Platten sind die Daten abgelegt; diese werden mit den Datenköpfen, die alle auf einer gemeinsamen Bewegungseinrichtung sitzen, geschrieben und gelesen.
Die Bewegung der Schreib/Leseköpfe efolgt meist mit einem Tauchspulmotor der, ähnlich einem Lautsprechersystem, aus einem Permanentmagneten und einer Spule, die mit diesem in magnetische Wechselwirkung tritt, besteht. Der Plattenstapel selbst wird von einem Motor mit Drehzahlen von 2600 bzw. 3400 U/min angetrieben.
2.1.1 Der Plattenstapel
Bild 2.
2 Plattenstapel
Der Plattenstapel besteht meistens aus 7 einzelnen Platten, die auf einer gemeinsamen Achse sitzen. Der Plattenstapel ist in Zylinder und Spuren eingeteilt, wobei ein Zylinder aus den 9 übereinanderliegenden Spuren besteht, die durch eine mechanische Positionierung erreicht werden können. Die heute üblichen Stapel benützen dabei 823 Zylinder, die von außen nach innen durchnumeriert sind, wobei die innersten Zylinder als sogenannte Ersatzzylinder verwendet werden, die nur dann zur Speicherung verwendet werden, wenn auf einem der äußeren Zylinder ein Defekt auftritt, d.h. keine Speicherung möglich ist.
Eine der Ebenen ist dabei für die Positionierung reserviert.
Auf dieser Ebene sind nur die Spursignale aufmagnetisiert, die bereits vom Hersteller geschrieben werden, und bei deren Löschung die Platte unbrauchbar wird, weshalb der sie abtastende Kopf ein reiner Lesekopf ist.
2.1.2 Schreib/Lesekopf
Da es bei einem System wo der Schreib/Lesekopf auf der Speicherebene schleift, wie es bei Audiotonbändern aber auch bei Floppy Disks der Fall ist, bei den in der Magnetplattentechnik üblichen Drehzahlen zu unzumutbaren Abmützungen sowohl der Speicheroberfläche als auch des Kopfes kommen würde, mußte bei den Magnetplattensystemen nach einer neuen Methode gesucht werden.
Bild 2.3 Schreib/Lesekopf
Der Ausweg war hier, daa man den Magnetkopf so gestaltet, daa er aerodynamisch wirksam wird.
Damit erreicht man in Zusammenhang mit den hohen Drehzahlen, daa der Magnetkopf in einer geringen Höhe über der Plattenoberfläche fliegt. Die Flughöhe beträgt hierbei etwa 0,5 bis 1um.
Diese Flughöhe wird durch ein Gleichgewicht der Kraft der Befestigungsfeder und des Aerodynamischen Auftriebes des Kopfes erreicht. Da zum Flug des Kopfes bereits eine gewisse Drehzahl vorhanden sein muß, und dieser bei einer Landung beschädigt würde, müssen hier spezielle Maßnahmen für den Anlauf und das Abschalten getroffen werden. Beim Anlauf tastet hier ein Sensor die Drehgeschwindigkeit der Platte ab, und erst nach dem Überschreiten einer bestimmeten Drehzahl werden die Köpfe von ihrer Ruheauflage auf die Platte bewegt. Beim Abschalten sorgt eine Kondensatorbatterie dafür, daa auf jeden Fall noch genügend Energie vorhanden ist, um die Köpfe auf die Auflagen zu bewegen.
Bild 2.4 Größenverhältnisse
2.2 Positionierung
Hier mua man genaugenommen zwei Arten von Plattenlaufwerken unterscheiden: einmal jene für Minicomputer und Mainframes und jene für PCs, die im Prinzip gleich arbeiten jedoch im allgemeinen anders Positionieren.
Um zunächst einmal auf zweitere zu sprechen zu kommen: Diese haben keine eigene Servoplatte, sondern arbeiten, ähnlich wie Floppys mit Schrittmotoren. Dadurch sind sie zwangsläufig etwas langsamer und ungenauer, als die größeren Plattensysteme, die mit einer Servoplatte und einem Tauchspulmotor arbeiten. Die weitere Beschreibung wird sich auf letztere Systeme beziehen.
Hier ist, wie bereits erwähnt eine Plattenebene für die Spursignale reserviert. Auf dieser Ebene ist die Platte vom Hersteller mit Servoinformationen beschrieben. Von diesen Servoinformationen wird abgeleitet:
- TRACK SERVO Signal, das den Abstand der Köpfe von der Spurmit tellinie angibt.
- Begrenzungsanzeigen über die Position der Köpfe innerhalb oder außerhalb des normalen Zylinderbereiches.
- Zylinderimpulse, die bei Positionierungen das Überschreiten von Zylindern anzeigen.
Außerdem werden noch Signale wie die Schreibfrequenz und die Sektorenzählung abgeleitet.
Bild 2.5 Positionierung
Die Positionierung wird hierbei grundsätzlich so durchgeführt, daa die Anzahl der überschrittenen Spuren gezählt, und so die aktuelle Position bestimmt wird. Beim Hinfahren zu einer bestimmten Spur wird dabei eine bestimmte Maximalgeschwindigkeit eingehalten, und rechtzeitig vor dem Erreichen der gewünschten Spur die Geschwindigkeit reduziert, sodaa auf Anhieb die gewünschte Position erreicht wird. Die Maximalgeschwindigkeit liegt hierbei bei ca. 2m/s.
Bild 2.
6 Aufbau der Servoplatte
Abgesehen von der grundsätzlichen Positionierung der Köpfe, bei der sie einmal prinzipiell auf die richtige Spur gebracht werden, müssen sie nun noch dort gehalten werden, nachdem der Tauchspulmotor im Gegensatz zu einem Schrittmotor einer Bewegung im nichterregten Zustand keinerlei Widerstand entgegensetzt. Diese Regelung erfolgt über den Spurfolge-Regelkreis.
Bild 2.7 Spurfolge-Regelkreis
Die Positionsmessung erfolgt hierbei anhand der Signale der Servoplatte. Diese ist so beschrieben (gerade und ungerade Servospuren), daa aus dem Lesesignal die Kopfposition abgeleitet werden kann.
Die Spuren auf der Servoplatte und die Datenspuren sind jeweils um eine halbe Spurbreite gegeneinander versetzt.
Die Grenzlinie zweier Spuren auf der Servooberfläche definiert damit die Spurmitte der Datenspuren. Bild 2.8 zeigt die Spannung am Servokopf für zwei verschiedene Positionen. In Position 1 liest der Kopf gleich große Anteile des Signals auf den Spuren A und B. Die Datenköpfe befinden sich dann genau über der Mitte der Datenspuren. In Position 2 liest der Kopf mehr Signal von der Spur des Typs A.
Die Positionsmeßelektronik trennt mit gesteuerten Gleichrichtern die von den verschiedenen Spuren stammenden Signalanteile, woraus sich der Positionsfehler ergibt.
Bild 2.8 Positionsmeßspuren und Positionsmeßsignal
2.3 Aufzeichnungsverfahren
Bei Magnetplatten wird hier die sogenannte MFM-Aufzeichnung verwendet. Diese hat den Vorteil, daa nur wenige Flußwechsel nötig sind, um ein Binärzeichen aufzuschreiben. Dadurch kann ohne Erhöhung der Aufzeichnungsfrequenz eine höhere Aufzeichnungsdichte erreicht werden als bei anderen Systemen.
Aufgrund der geringeren Anzahl der Flußwechsel ist die gegenseitige Signalbeeinflussung geringer und die Amplitudenauswertung leichter möglich.
Der Nachteil dieser Aufzeichnungsart wiederum ist, daa die Impulspolarität keine Beziehung zur aufgezeichneten Information hat, da nur der Zeitpunkt des Flußwechsels innerhalb der Bitzellzeit ausgewertet wird. Dadurch wird der Aufwand an Dekodierelektronik höher.
Bild 2.9 MFM-Aufzeichnung
Hier sind die Schreibdaten so codiert, daa eine "1" durch ein HIGH in der zweiten Hälfte der Bitzellzeit, und eine "0" durch ein HIGH in der ersten Hälfte der Bitzellzeit repräsentiert wird. Folgen aber zwei HIGHs unmittelbar hintereinander, so wird das Zweite weggelassen.
Die auf die Platte geschriebene Information ergibt sich daraus jetzt derart, das für jeden LOW -> HIGH - Übergang ein Flußwechsel stattfindet.
3. Magnetbandsysteme
Sie sind eher langsame Speichersysteme und bieten keine Möglichkeit zu einem Random-Zugriff, sondern können nur sequentiell ausgelesen werden; sie haben aber eher geringe Kosten pro gespeichertem Bit, und benötigen bei der Archivierung der Bänder relativ wenig Platz (im Vergleich zu Wechselplatten). Aus diesem Grund werden sie heute meist zur Datensicherung und -archivierung verwendet.
Im Prinzip sind Magnetbandsysteme Vielspurlaufwerke, wo auf jeder Spur ein Datenbit aufgezeichnet wird. Früher gab es hier 7 und 9-Spur Laufwerke; heute praktisch nur mehr 9-Spur-Laufwerke, die als 9.
Bit das Paritybit speichern, wobei hier, wie in der gesamten Groß-EDV, ungerade Parität verwendet wird.
3.1 Aufbau
Ein Magnetbandlaufwerk besteht zunächst einmal, ähnlich wie ein Tonbandgerät aus 2 Wickelspulen. Diese werden mit Servomotoren angetrieben, deren Steuerung ich noch näher beschreiben werde. Der eigentliche Bandantrieb besteht aus einem Capstan-Motor.
Die magnetische Beeinflußung des Bandes erfolgt über einen kombinierten Schreib/Lesekopf, bei dem der Schreibteil in Bandlaufrichtung zuerst kommt.
Damit ist es möglich, die auf das Band geschriebenen Daten sofort nach dem Schreiben wieder zu überprüfen, wodurch Schreiben im Gegensatz zu Lesen, das vorwärts und rückwärts erfolgen kann, nur vorwärts möglich ist.
Weil bei einem Magntebandsystem das Band außer beim Spulen immer wieder angehalten und neu beschleunigt werden muß, was relativ schnell gehen soll, um die ohnehin schon großen Verzögerungen nicht noch größer zu machen, wäre es hier untragbar, wenn beim Anlaufen immer das gesamte (bis 700m lange und damit relativ schwere) Band voll beschleunigt werden müßte. Aus diesem Grund werden hier Vakuumkammern verwendet, in denen sich eine gewiße Strecke des Bandes befindet. Bei einem Start mua nun nur die Masse des Bandes in den Vakuumkammern beschleunigt werden, die gegenüber der gesamten Bandmasse gering ist.
1: Vorratsspule
2: Wickelspule
3: Capstan
4: Schreib/Lesekopf
5: Vakuumkammer
6: Bandanfang-/Bandendeerkennung
7: obere Fehlergrenze
8: obere Arbeitsbereichsgrenze
9: Mittelposition
10: untere Arbeitsbereichsgrenze
11: untere Fehlergrenze
12: Bandlaufrichtung
Bild 3.1 Magnetbandlaufwerk
Die Steuerung der Servomotoren für die Bandspulen erfolgt über die Lichtschranken, womit erreicht wird, daa immer eine etwa gleichbleibende Menge des Bandes in den Vakuumkammern ist.
Damit kann nun eine Hochlaufzeit des Bandes von etwa 2-4ms und eine Bremszeit von 1-3ms erreicht werden. Hierbei bleibt das Band üblicherweise innerhalb des Arbeitsbereiches. Ein Verlassen des Arbeitsbereiches ist noch nicht kritisch. Das Bandlaufwerk wird aber komplett abgeschaltet, wenn die Bandschleife über die obere oder untere Fehlergrenze kommt.
Die Bandanfang-/Bandendeerkennung ist ebenfalls eine Lichtschranke; sie dient dazu, daa das Band nicht ungewollt entladen wird. Hierzu sind auf dem Band reflektierende Streifen angebracht; am Bandanfang auf der einen Seite des Bandes und am Bandende auf der anderen.
3.2 Aufzeichnungsverfahren
Hier gibt es drei verschiedene Verfahren, die ich in der chronologischen Reihenfolge ihres Entstehens beschreiben werde.
Die Aufzeichnung auf Magnetbänder ist in verschiedenen Größen abgestuft. Man unterscheidet hier das Byte (8Bit + Parity) als kleinste Einheit, als nächstgrößere den Block, der einen ununterbrochenen Flua von Daten darstellt (und darstellen muß) und als größtes der Abschnitt.
3.2.
1 NRZ (No Return Zero)
Bild 3.2 NRZ-Verfahren
Dieses Verfahren hat an und für sich den Vorteil, daa Flußwechsel nur bei jeder "1" erfolgen, wodurch prinzipiell eine hohe Aufzeichnungsdichte möglich wäre. Allerdings ist hier die Möglichkeit vorhanden, daa eine große Anzahl von Nullen aufeinander folgt, womit keine Synchronisierung des Datentaktes auf dem Band mit dem Lesetakt mehr erfolgt, wodurch eine Steigerung der Aufzeichnungsdichte durch die Ungenauigkeit des Taktes begrenzt wird.
Hier wird meist eine Aufzeichnungsdichte von 800 Byte/" (315 Byte/cm) verwendet. Die Datensicherung erfolgt durch das Parity-Bit, das wie bereits gesagt auf ungerade Parität ergänzt und einem CRC (Cyclic Redundancy Check) der aus allen Datenbytes eines Blockes gebildet und mit 4 Byte Abstand vom letzten Datenbyte des Blockes geschrieben wird. Außerdem wird 4 Byte nach dem CRC noch der LRC (Longitudinal Cyclic Check) aufgezeichnet, der alle "1"-Bits einer Spur innerhalb des Blockes auf eine gerade Anzahl ergänzt.
3.2 PE (Phase Encoded)
Bild 3.3 PE-Verfahren
Hier wird eine "1" durch einen positive Flußänderung dargestellt und eine "0" durch eine negative. Beim Aufeinanderfolgen zweier gleicher Zeichen ist es daher nötig, dazwischen eine umgekehrte Flußänderung, den sogenannten Hilfsflußwechsel, durchzuführen, wodurch die maximale Aufzeichnungsdichte begrenzt wird. Die Aufzeichnungsdichte ist aber trotzdem größer als beim NRZ-Verfahren; sie liegt bei 1600 Bytes/" (630 Byte/cm).
Datenblöcke bestehen hier aus der Präambel (40 "0" und eine "1"), den Nutzdaten und der Postambel.
Dei Präambel dient zum Einphasen des Lesetaktes beim Vorwärts-Lesen; die Postambel zum Einphasen beim Rückwärts-Lesen.
Die Datensicherung erfolgt hier nur durch die Paritybits und die spurweise Überwachung der Lesesignale. Bei Ausfall des Lesesignals in einer Spur wird deren Inhalt unmittelbar während des Lesens aus dem Paritybit geschlossen (fliegende Korrektur), wobei angenommen wird, daa das Parity-Bit richtig ist; eine Annahme die dadurch berechtigt ist, daa das Parity-Bit in der neutralen Zone des Bandes liegt, und damit bei Biegungen des Bandes nicht Gefahr läuft verändert zu werden.
Als Kennzeichen dafür, daa auf dem betreffenden Magnetband im PE-Code aufgezeichnet ist, dient die Schriftkennung, die im Bereich der Bandanfangsmarke aufgezeichnet ist. Sie besteht aus Flußwechseln der Dichte 1600 Bytes/" auf der Spur 4; die anderen 8 Spuren sind in Blocklückenpolarität gelöscht.
Das PE-Verfahren wird noch verwendet.
Bild 3.4 Datenorganisation bei PE
3.3 GCR (Group Coded Recording)
Dieses Verfahren ist das neueste (ca. 8 Jahre alt). Es ist eine Kombination von PE und NRZ, wobei von beiden die Vorteile genommen wurden. Es wird hier prinzipiell in NRZ aufgezeichnet; d.
h. es erfolgt ein Flußwechsel nur bei einer "1". Um den Nachteil von NRZ aber nicht mitzunehmen, mußte eine Spurtaktierung geschaffen werden. Dies erfolgt dadurch, daa die Information vor der eigentlichen Aufzeichnung auf dem Band derart umcodiert wird, daa niemals mehr als 2 "0en" aufeinanderfolgen. Daher können zwei Flußwechsel höchstens 3 Byteabstände auseinanderliegen, wodurch eine ständige Synchronisation des Lesetaktes erfolgt.
Die Codierung erfolgt hier nach einem festen Schema, bei dem jeweils 4 Datenbytes als Gruppe in den sogenannten Translator geschickt werden, wo sie zu einer Gruppe von 5 Bytes umgewandelt werden.
Diese 5 Byte-Gruppe (Storage Group) wird dann auf dem Band aufgezeichnet.
Die GCR-Schriftkennung erfolgt durch Flußwechsel in der Spur 6 wieder im Bereich der Anfangsmarke.
Die Aufzeichnungsdichte beträgt hier 6250 Byte/" (2460 Byte/cm).
4. Magnetblasenspeicher
Magnetblasenspeicher sind Speicher, die in Geschwindigkeit und Preis pro Bit zwischen Halbleiter- und Plattenspeichern liegen. Ihr Vorteil gegenüber Plattenspeichern ist, daa sie den geringen Preis bereits bei kleineren Speichergrößen (einige 100 kB) bieten, wohingegen Plattenspeicher erst bei großen Speicherkapazitäten (über 100 MB) ein günstiges Preis-Leistungs-Verhältnis, da bei ihnen die Mechanik das Teure ist, und diese bei steigender Speicherkapazität kaum mehr komplexer wird.
Bild 4.1 Preis pro Bit über Zugriffszeit
4.1 Was sind Magnetblasen?
Magnetblasen sind zylindrische Bereiche von umgekehrter Magnetisierung in einer dünnen Schicht spezieller magnetischer Materialien. Diese Magnetblasen können, wie in Bild 4.2 gezeigt, isoliert auftreten, sodaa ihre natürliche Wechselwirkung für die meisten praktischen Anwendungen vernachläßigt werden kann. Im allgemeinen (ohne zusätzliche Maßnahmen) treten sie aber, wie in Bild 4.
3 dargestellt, gedrängt auf.
Voraussetzung für das Existieren von Magnetblasen ist ein Magnetfeld, das im rechten Winkel zur Blasenschicht liegt. Bei einer so orientierten Magnetisierung ist aber die magnetische Energie höher, als wenn die Schicht in "Längsrichtung" magnetisiert wäre. Deshalb würde die Magnetisierung dazu tendieren, in die Ebene zu kollabieren. Um das zu vermeiden, müssen die Materialien in denen Magnetblasen bestehen sollen, eine magnetische Vorzugsrichtung im rechten Winkel zur Ebene besitzen.
Bild 4.
2 Isolierte Magnetblasen in einer dünnen Schicht
Bild 4.3 Gedrängte Magnetblasen
Auch wenn die Vorzugsrichtung ausreichend ausgeprägt ist und die Magnetisierung im rechten Winkel zur Schicht liegt, wird die Schicht dazu tendieren, eine Struktur auszubilden, bei der etwa gleich große Gebiete in den beiden Richtungen magnetisiert sind. Eine derartige Struktur sind z.B. die gedrängten Magnetblasen wie in Bild 4.3.
Eine andere derartige Struktur sind serpentinförmige Streifen wie in Bild 4.4.
Bild 4.4 Serpentinförmige Streifen
Diese beiden Strukturen sind in einer guten Magnetblasenschicht ohne zusätzliche Magnetfelder stabil. Isolierte Magnetblasen wie in Bild 4.1 erfordern jedoch eine Vormagnetisierung um stabil zu sein.
Dieses Feld (HB), das in Richtung der Magnetisierung in der Schicht außerhalb der Magnetblasen orientiert sein muß, stabilisiert die überwiegende Magnetisierung in dieser Richtung.
Bild 4.5 Vormagnetisierung
Wenn HB zu weit reduziert wird, explodieren die isolierten Magnetblasen zur Serpentinenstruktur von Bild 4.4. Die Feldstärke, bei dieses eintritt, wird strip-out Feld genannt. Andererseits würde bei zu starker Erhöhung der Vormagnetisierung das Megnetfeld außerhalb der Magnetblasen zu stark bevorzugt werden, und oberhalb eines kritischen Feldes würden die Magnetblasen kollabieren.
Innerhalb dieser Grenzen ist die Vormagnetisierung frei wählbar, wobei hierbei die Magnetblasengröße variiert (Bild 4.5).
In diesem Zusammenhang möchte ich kurz auf die Größe von Magnetblasen eingehen. Abhängig vom verwendeten Material haben die Magnetblasen Durchmesser zwischen von 0,1 - 500 um.
4.2 Manipulieren von Magnetblasen
Um Magnetblasen in aktiven Einrichtungen verwenden zu können, mua es möglich sein, Magnetblasen zu erzeugen, bewegen, detektieren und zerstören.
Man kann Magnetblasen auf zwei verschiedene Arten erzeugen. Die eine ist ein lokales Magnetfeld zu erzeugen, das stark genug ist, die Magnetisierung umzukehren. Die zweite Möglichkeit ist, von einer Mutterblase eine zweite abzuspalten. Das kann man durch Strecken der Mutterblase und Anlegen eines lokalen Magnetfeldes zum Abspalten der zweiten Blase erreichen. Das Magnetfeld zum Abspalten ist um mehrere Größenordnungen kleiner als das Magnetfeld zum Erzeugen einer neuen Magnetblase. Die lokalen Magnetfelder können durch einen Strom durch Leiterbahnen auf der Oberfläche der Magnetschicht erzeugt werden.
Zerstört können Magnetblasen durch den umgekehrten Vorgang werden. Sie können entweder mit einer zweiten Magnetblase verschmolzen werden, oder es wird ein lokales Magnetfeld angelegt, das die Magnetblase zum Kollabieren bringt.
Magnetblasen können durch einen Gradienten im Vormagnetisierungsfeld bewegt werden. Wenn im Vormagnetisierungsfeld ein Gradient entlang der magnetischen Schicht vorliegt, so wird sich die Magnetblase zum Gebiet der geringeren Vormagnetisierung bewegen, weil das Vormagnetisierungsfeld entgegengesetzt zur Magnetisierung der Magnetblasen orientiert ist, und die magnetische Energie durch die Bewegung reduziert wird. Der Gradient im Vormagnetisierungsfeld kann wiederum durch einen Strom durch eine Leiterbahn auf der Oberfläche der Magnetschicht erzeugt werden. Kontinuierliche Bewegung kann durch fortlaufendes Pulsen eines Gitters von Leiterbahnen erzeugt werden.
In den üblichen Geräten wird die Fortbewegung jedoch durch Einkoppeln eines rotierenden, in der Ebene liegenden Feldes in eine Reihe von Elementen aus Permalloy durchgeführt. Die ersten erfolgreichen Muster waren aus T- und I-Elementen (Bild 4.6).
Bild 4.6 Bewegungsstruktur aus TI-Elementen
Wie Bild 4.7 zeigt, wird die Magnetblase bei nach rechts zeigendem Rotationsfeld Hip zum linken Ende des Balkens vom T gezogen, und bleibt dort an einem Energieminimum.
Mit dem weiterdrehenden Feld bewegt sich die Magnetblase entlang des Balkens von T, springt zum I-Element und weiter zum nächsten T.
Bild 4.7 Bewegungssequenz mit TI-Elementen
Die TI-Elemente sind auf der magnetischen Schicht mit einer dünnen Zwischenlage aus Quarz aufgebracht.
Die Fortbewegungsgeschwindigkeit der Magnetblasen hängt von den dynamischen Eigenschaften der Blasen ebenso wie von Größe und Frequenz des rotierenden Feldes ab. Derartige Magnetblasensysteme werden üblicherweise mit Frequenzen zwischen 0,1 und 1 MHz betrieben.
Die Detektion von Magnetblasen wird in der Praxis elektronisch durch eine Widerstandsänderung in einem magnetisch empfindlichen Widerstandsstreifen, der auf der magnetischen Schicht aufgebracht ist, durchgeführt.
Um Magnetblasen in der Forschung an beliebigen Positionen beobachten zu können, werden magnetooptische Methoden verwendet. Wenn die magnetische Schicht mit polarisiertem Licht beleuchtet ist, erzeugt die umgekehrte Magnetisierung der Magnetblasen eine lokale Rotation. Diese Rotation kann mit geeigneten Filtern erkannt werden.
Für die praktische Anwendung mua eine Möglichkeit zum Schalten gegeben sein. Die Magnetblasen können hierbei mit Permalloy-Schalter-Konfigurationen, die durch einen elektrischen Strom in einem Leiter über den Schalter kontrolliert werden, individuell in verschiedene Bahnen gelenkt werden. Manche Schalter lenken hierbei die Magnetblase vollständig auf einen anderen Weg, andere spalten eine Tochter von der Magnetblase, während sich die Mutterblase auf ihrem ursprünglichen Weg weiterbewegt.
Bild 4.8 Spaltender Schalter
Bild 4.8 zeigt einen derartigen spaltenden Schalter. Wenn die Magnetblase den Schalter passiert, streckt sie sich naturgemäa etwas, und wenn der Strom in der Kontrollschleife eingeschaltet ist, teilt sich die Magnetblase und ein Teil wird Pfad 3 folgen, während sich der andere auf Pfad 2 weiterbewegt. Die normale Fortbewegung (bei ausgeschaltetem Strom) erfolgt über Pfad 2.
4.
3 Ausführung des Magnetblasenspeichers
Bild 4.9 Magnetblasenspeicher
Bild 4.9 zeigt einen typischen Magnetblasenspeicher. Er wurde entwickelt von den Bell Telephone Laboratories, um vier Speicherchips aufzunehmen. Zum Zeitpunkt der Vorstellung der Chips hatte jeder eine Speicherfähigkeit von 68 kBit, aber dasselbe Modul kann Chips mit größerer Speicherfähigkeit aufnehmen. Die vier Chips sind umgeben von Elementen, die die nötigen Magnetfelder erzeugen.
Zwei Spulen, eine innere und eine äußere, erzeugen das Rotationsfeld. Ein Permanentmagnet erzeugt das Vormagnetisierungsfeld, welches sowohl im ein- als auch im ausgeschaltetem Zustand vorhanden ist, wodurch die gespeicherte Information erhalten wird. Dieser Grundaufbau ist kennzeichnend für alle Magnetblasensysteme.
Die Chips selbst können auf verschiedene Arten organisiert sein. Die eine Art, die relativ raschen Zugriff ermöglicht, wird in Bild 4.10 dargestellt.
Eine derartige Organisation wird als MAJOR/MINOR LOOP Organisation bezeichnet. Die Information wird hierbei zunächst auf die WRITE MAJOR LOOP gebracht. Die WRITE GATES lassen, wenn sie angesprochen sind, ein Bit von der WRITE MAJOR LOOP in die entsprechende MINOR LOOP. Zum Lesen dieser Sequenz werden die READ GATES angesprochen, wenn die Information in den MINOR LOOPs die entsprechende Position erreicht hat. Auf der READ MAJOR LOOP gelangen die Magnetblasen zum Detektor, bei dem das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein (entspricht Bit gesetzt oder gelöscht) der Magnetblase festgestellt wird. Die mittlere Zugriffszeit auf ein Bit ist hierbei die halbe Zeit, die für einen Durchgang der MINOR LOOP benötigt wird plus der Transferzeit zum Detektor.
Eine andere Organisationsmöglichkeit wären einfache Schieberegister, wo die Magnetblasen einfach durch ein langes Schieberegister geschoben werden. Diese Organisation benötigt keine Schalter und ist damit vom Aufbau her einfacher, hat aber wesentlich längere Zugriffszeiten.
Bild 4.10 Schematischer Aufbau eines 68 kBit Chips
Bild 4.11 Experimenteller Magnetblasenspeicher
Da ein 68 kBit Chip zu groa ist, um im Detail gezeigt zu werden, möchte ich hier einen kleiner experimentellen Magnetblasenspeicher zeigen. Der gezeigte Teil beinhaltet zwölf 20 Bit MINOR LOOPs.
Man kann auf diesem Bild von links nach rechts folgende Steuerleitungen erkennen:
- Generatorsteuerleitung
- Steuerleitung der WRITE GATES
- Steuerleitung der READ GATES
- Detektorleitung
Das große Gebilde auf der rechten Seite ist eine Sektion, in der die Magnetblase vergrößert wird, sodaa sie leichter detektiert werden kann.
Dieser Magnetblasenspeicher ist mit anderen als den TI-Elementen, nämlich mit asymmetrischen Chevron-Elementen aufgebaut.
Zum Abschlua möchte ich noch einige allgemein verwendbare Speichereinheiten auf Magnetblasenbasis beschreiben, um die Möglichkeiten und Abmessungen zu demonstrieren.
Die ersten Speichereinheiten wurden von der Firma Bell Telephone Laboratories gebaut. Diese haben zwei Substrate, von denen jedes 14 64 kBit-Chips beinhaltet, womit sich eine Gesamtkapazität von etwa 5 MB ergibt. Bei einer Frequenz von 100kHz haben sie eine Zugriffszeit von 2,7 ms und einen Datenflua von 0,7 MB/s.
Rockwell International stellte 100kBit Chips vor, die aus einem langen Schieberegister aufgebaut sind. Es sind hier 8 derartige Chips in einem Modul, womit 100kB Speicherfähigkeit erreicht werden. Die Abmessungen dieser Module sind 11,5x19x3,8 cm und sie wiegen 1,14kg.
Hitachi stellte eine Konfiguration mit 4 256 kBit-Chips vor, die zu einer 1MBit Einheit vereinigt sind, und auf einer 18x15cm Grundplatte montiert sind. Diese Speichereinheit kommt mit einer 5V Versorgung aus.
Anhang Literaturverzeichnis
diverse Firmenunterlagen
Winchester Büchsen
Chip 1984/1
Anwendung von Abtastregelkreisen in Magnetplattenspeichern
Volker Zimmermann
Dissertation
Magnetic Bubble Technology
A.
H. Eschenfelder
Springer-Verlag 1980
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