Глава 8. ВЗУ на ЦМД-содержащих материалах
8.1. Принципы возникновения цилиндрических магнитных доменов
Увеличение объемов информации, обрабатываемой и хранимой в вычислительных комплексах различных назначений, привело к возникновению подсистем внешней памяти, построенных на основе отдельных запоминающих устройств, общая емкость которых может достигать 100 млрд. байт. К надежности и достоверности работы вычислительных комплексов, используемых в ряде отраслей, таких как авиация, космонавтика, система ПВО, атомная энергетика, медицина, предъявляются повышенные требования, так как отказы отдельных компонентов приводят к большим экономическим потерям или к катастрофическим последствиям.
Большая доля сбоев и отказов приходится на внешнюю память, в то же время затраты на ее реализацию и эксплуатацию порой достигают половины стоимости всего вычислительного комплекса.
Наименее надежным узлом электромеханических ВЗУ является механизм продвижения магнитного или оптического, магнитооптического носителя - дисковод либо лентопротяжка. Переход к принципиально новой элементной базе внешних ЗУ, в которых отсутствуют механизмы продвижения носителя, позволил достичь более высоких показателей надежности функционирования, меньшего токопотребления, энергонезависимости и малых габаритных размеров. Такой элементной базой, выполняемой по новой технологии, являются ЗУ на основе микросборок интегральных схем, в которых носителем информации в форме цилиндрических магнитных доменов (ЦМД) является доменосодержащий материал.
ЦМД представляют собой изолированные однородно намагниченные области магнетика в форме круговых цилиндров, направление вектора намагниченности в которых противоположно направлению намагниченности остальной части магнетика. С помощью интегральных функциональных элементов (генераторов, репликаторов, детекторов, аннигиляторов, переключателей) а также доменопродвигающих структур и катушек вращающегося магнитного поля информационные биты в форме ЦМД, захваченных в так называемые доменные “ловушки”, образованные доменными стенками, записываются, продвигаются, считываются и стираются. Известны также немеханические магнитооптические ЗУ на ЦМД и логические элементы и устройства на ЦМД.
В рассмотренных выше главах в накопителях на магнитных и магнитооптических носителях информационные биты были представлены намагниченными в том или ином направлении участками поверхности магнитных материалов - магнитными отпечатками. Магнитный отпечаток представлял собой совокупность сориентированных в одном направлении плоских магнитных доменов, разделенных между собой доменными стенками. В каждом домене вектор намагниченности ориентирован вдоль оси легкого намагничивания (ОЛН). ОЛН - направление, для намагничивания вдоль которого затрачивается наименьшая работа. Это является следствием магнитной анизотропии кристаллов.
Глава 8. ВЗУ на ЦМД-содержащих материалах
Для создания ЦМД на практике используются нанесенные на подложку тонкие плоскопараллельные пластины - пленки (толщиной от 1 до 100 мкм) магнитных материалов с наведенной в процессе изготовления анизотропией, обладающие малой остаточной индукцией порядка 0,01 - 0,02 тесла. Это монокристаллические магнетики (ортоферриты, магнитоплюмбиты, феррит-гранаты), либо аморфные сплавы магнетиков с единственной ОЛН, направленной перпендикулярно поверхности тонкой пленки. Эти материалы отличны друг от друга по показателям диаметра ЦМД и максимально возможной скорости его перемещения с тем, чтобы домен не отстал от ловушки и не растекся. Так, у гексаферритов диаметр ЦМД сравнительно мал, но мала и скорость перемещения; у ортоферритов скорость перемещения выше, но диаметр ЦМД велик. Оптимальным является феррит со структурой граната - гадолино-галлиевый гранат, содержащий ЦМД малого диаметра и позволяющий осуществлять управление передвижением доменов с большой скоростью. Это способствует микроминиатюризации ЦМД-кристаллов и повышает плотность информации, достигающую 500 Кбайт. Конечно, эта емкость значительно ниже, чем у микросхем памяти для ОЗУ, рассмотренных ранее, но ЦМД-микросхемы идут вне конкуренции в специальных применениях ввиду хранения информации без питания, а главное, благодаря высокой радиационной стойкости.
В одноосном материале возникает лабиринтная, или полосовая структура (рис. 8.1, а ) из соединившихся между собой доменов. Стрелками обозначены направления векторов намагниченности. Если к такой пленке приложить внешнее магнитное поле H z , направленное перпендикулярно поверхности (рис 8.1, б ) в направлении, совпадающем с направлением ОЛН, называемое полем смещения H см , то размеры доменов, направление намагниченности которых совпадает с направлением действия этого магнитного поля, будут увеличиваться за счет доменов с противоположной намагниченностью. Увеличивая напряженность приложенного магнитного поля смещения до некоторого определенного значения, можно добиться того, что полосовые магнитные домены исчезнут полностью, превратившись в устойчивые ЦМД. Этот процесс получил название генерации, зарождения ЦМД. Диаметр ЦМД в зависимости от материала составляет теоритически 1 - 3 мкм, реально достигнуто значение 50 мкм. Этот эффект был открыт в 1967 году американским ученым Бобеком, на его основе создавались первые ЦМД ЗУ, названные “пузырьковой“ памятью (buble memory). При дальнейшем наращивании напряженности поля смещения происходит утоньшение и исчезновение доменных стенок, вся пленка становится однороднонамагниченной в направлении приложенного поля смещения и ЦМД исчезают, аннигилируют.
Рис. 8.1. Структура ЦМД-содержащего материала: а - полосовая структура; б - ЦМД-структура
Глава 8. ВЗУ на ЦМД-содержащих материалах
8.2. Организация продвижения ЦМД
Важной особенностью ЦМД является способность перемещаться в объеме ферромагнетика. Именно на способности домена к перемещению без разрушения основывается применение ЦМД в вычислительной технике для создания сдвиговых регистров памяти, являющихся главными элементами накопителей информации в немеханических ВЗУ на ЦМД. Для перемещения ЦМД используются токовые и/или ферромагнитные аппликации на поверхности доменосодержащей пленки в форме, напоминающей буквы С, Т, Y, I, X и другие, так называемые шевроны, расположенные друг за другом в виде дорожек - каналов продвижения ЦМД, доменопродвигающих структур (ДПС). На рис. 8.2 приведены некоторые типы конфигураций ДПС, а на рис. 8.3 - T-I - образная доменопродвигающая структура. В режиме хранения в этой ДПС будет храниться записанная информация и ДПС в этом случае играет роль регистра последовательного действия. Плотность информации достигает значений 10 9 бит на квадратный сантиметр.
Рис. 8.2. Типы конфигурации доменопродвигающих структур
Рис. 8.3. Функционирование T-I-образной ДПС под действием управляющего поля
Глава 8. ВЗУ на ЦМД-содержащих материалах
Материал аппликаций ДПС - пермаллой, алюминий. Здесь используется свойство тонкой магнитной пленки увеличивать коэрцитивную силу магнитного материала H с при нанесении на него аппликаций. Домены легче локализуются, не растекаются под шевронами аппликации и легче перемещаются, так как тонкая магнитная пленка получает участки с различной коэрцитивной силой под шевронами ДПС и между ними, образуя магнитостатическую ловушку, которая захватывает ЦМД.
Самый простой способ управления движением вперед или назад по каналу продвижения при помощи магнитостатической ловушки заключается в пропускании электрического тока по проводящим шинам или контурам, прилегающим к тонкой пленке. Возникающая бегущая волна перемещает захваченный в ловушку ЦМД. Достоинством этого способа является возможность добиться высокого быстродействия, недостатком же является большое количество электрических соединений, приводящее к низкой технологичности и высокая потребляемая мощность, порядка 10 мкВт/бит.
Поэтому большая часть устройств на ЦМД управляется при помощи пермаллоевых аппликаций и еще одного внешнего вращающегося магнитного поля H упр , управляющего продвижением ЦМД . Это поле создается катушками поля управления, представляющими собой две пары перпендикулярно расположенных катушек, называемых катушками Гельмгольца, через которые пропускаются синусоидальные токи, сдвинутые относительно друг друга на 180 0 . За время одного периода вращения поля Н упр все домены в ДПС продвинутся на один разряд (рис. 8.3). При перемене направления вращения управляющего поля домены будут перемещаться по каналу продвижения в обратную сторону (реверс). Для перемещения домена необходимо поле H упр , в 10 - 100 раз меньшее, чем необходимое для образования домена поле смещения H см . В то же время управляющее поле должно быть достаточно большим, чтобы противодействовать размагничивающему полю самих доменов и внешним полям. Для защиты от внешних магнитных полей ЦМД-микросхему помещают в экран.
Существуют два способа технологи производства ЦМД-кристаллов. Ортоферриты выращиваются как монокристаллы, разрезаются на пластины толщиной 50 - 100 мкм так, чтобы ось легкого намагничивания была бы перпендикулярна поверхности пластины. Затем методом фототравления алюминиевой подложки формируется та или иная конфигурация ДПС и создаются функциональные элементы: генератор, аннигилятор другие. При втором способе на подложку методом испарения наносится тонкая магнитная пленка. Ширина каналов ДПС - несколько микрометров. На вытравленных по первому способу участках и на непокрытых пленкой по второму способу технологии коэрцитивная сила H с меньше коэрцитивной силы остальной области. Информация будет фиксироваться в пределах низкокоэрцитивных областей в виде доменов с обратной намагниченностью.
8.3. Функциональные элементы ЦМДмикросхем памяти
Для ввода в ЦМД-микросхему в режиме записи цифровой информации служит генератор ЦМД. В генераторе происходит расщепление исходного ЦМД на два, один из которых вводится в ДПС, а другой остается в магнитостатической ловушке генератора (рис. 8.4). Возникший под аппликацией генератора в форме диска, квадрата или прямоугольника так называемый зародышевый ЦМД растягивается в полосовой домен магнитным полем генератора и первой аппликации канала ДПС, после чего происходит разрыв стенки исходного домена, то есть расщепление его надвое. Полученный после деления новый ЦМД под действием управляющего поля в своей магнитостатической ловушке, созданной ферромагнитной аппликацией на поверхности ЦМД пленки, продвигается по каналу ДПС.