La memoria de burbuja es un tipo de memoria de computadora no volátil que utiliza una película delgada de un material magnético para contener pequeñas áreas magnetizadas, conocidas como burbujas o dominios , cada una de las cuales almacena un bit de datos. El material está dispuesto para formar una serie de pistas paralelas a lo largo de las cuales las burbujas pueden moverse bajo la acción de un campo magnético externo. Las burbujas se leen moviéndolas hasta el borde del material, donde pueden ser leídas por un captador magnético convencional , y luego se reescriben en el borde más alejado para mantener la memoria en ciclo a través del material. En funcionamiento, las memorias de burbuja son similares a los sistemas de memoria de línea de retardo .
La memoria de burbuja comenzó como una tecnología prometedora en la década de 1970, ofreciendo un rendimiento similar a la memoria central , una densidad de memoria similar a los discos duros y sin partes móviles. Esto llevó a muchos a considerarla un contendiente para una "memoria universal" que pudiera usarse para todas las necesidades de almacenamiento. La introducción de chips de memoria semiconductores mucho más rápidos a principios de la década de 1970 empujó a la burbuja al extremo lento de la escala y comenzó a considerarse principalmente como un reemplazo para los discos. Las mejoras igualmente dramáticas en la capacidad de los discos duros a principios de la década de 1980 la hicieron poco competitiva en términos de precio para el almacenamiento masivo. [1]
La memoria de burbuja se utilizó durante algún tiempo en las décadas de 1970 y 1980 en aplicaciones en las que su naturaleza inmóvil era deseable por razones de mantenimiento o protección contra golpes. La introducción del almacenamiento flash y tecnologías similares hizo que incluso este nicho perdiera competitividad y la memoria de burbuja desapareció por completo a fines de la década de 1980.
La memoria de burbuja es en gran medida la creación de una sola persona, Andrew Bobeck . Bobeck había trabajado en muchos tipos de proyectos relacionados con el magnetismo a lo largo de la década de 1960, y dos de sus proyectos lo colocaron en una posición particularmente buena para el desarrollo de la memoria de burbuja. El primero fue el desarrollo del primer sistema de memoria de núcleo magnético impulsado por un controlador basado en transistores , y el segundo fue el desarrollo de la memoria twistor .
Twistor es esencialmente una versión de la memoria de núcleo que reemplaza los "núcleos" con un trozo de cinta magnética . La principal ventaja de Twistor es su capacidad de ser ensamblado por máquinas automatizadas, a diferencia del núcleo, que era casi completamente manual. AT&T tenía grandes esperanzas en Twistor, creyendo que reduciría en gran medida el costo de la memoria de computadora y los colocaría en una posición líder en la industria. En cambio, las memorias DRAM llegaron al mercado a principios de la década de 1970 y reemplazaron rápidamente todos los sistemas de memoria de acceso aleatorio anteriores . Twistor terminó siendo utilizado solo en unas pocas aplicaciones, muchas de ellas en las propias computadoras de AT&T.
Un efecto secundario interesante del concepto de twistor se observó en la producción: bajo ciertas condiciones, al pasar una corriente a través de uno de los cables eléctricos que corren dentro de la cinta, los campos magnéticos de la cinta se moverían en la dirección de la corriente. Si se usaba correctamente, permitía que los bits almacenados se empujaran hacia abajo en la cinta y saltaran por el extremo, formando un tipo de memoria de línea de retardo , pero una en la que la propagación de los campos estaba bajo control informático, en lugar de avanzar automáticamente a una velocidad establecida definida por los materiales utilizados. Sin embargo, un sistema de este tipo tenía pocas ventajas sobre el twistor, especialmente porque no permitía el acceso aleatorio.
En 1967, Bobeck se unió a un equipo de Bell Labs y comenzó a trabajar en la mejora del twistor . La densidad de memoria del twistor era una función del tamaño de los cables; la longitud de cada cable determinaba cuántos bits contenía, y muchos de esos cables se colocaban uno al lado del otro para producir un sistema de memoria más grande.
Los materiales magnéticos convencionales, como la cinta magnética utilizada en el twistor, permitían que la señal magnética se colocara en cualquier lugar y se moviera en cualquier dirección. Paul Charles Michaelis, trabajando con películas delgadas magnéticas de permalloy , descubrió que era posible mover señales magnéticas en direcciones ortogonales dentro de la película. Este trabajo seminal condujo a una solicitud de patente. [2] El dispositivo de memoria y el método de propagación se describieron en un artículo presentado en la 13.ª Conferencia Anual sobre Magnetismo y Materiales Magnéticos, Boston, Massachusetts, el 15 de septiembre de 1967. El dispositivo utilizaba películas magnéticas delgadas anisotrópicas que requerían diferentes combinaciones de pulsos magnéticos para direcciones de propagación ortogonales. La velocidad de propagación también dependía de los ejes magnéticos duros y fáciles. Esta diferencia sugería que sería deseable un medio magnético isotrópico.
Esto llevó a la posibilidad de hacer un sistema de memoria similar al concepto de twistor de dominio móvil, pero utilizando un solo bloque de material magnético en lugar de muchos cables de twistor. Al comenzar a trabajar en la extensión de este concepto utilizando ortoferrita , Bobeck notó un efecto interesante adicional. Con los materiales de cinta magnética utilizados en twistor, los datos tenían que almacenarse en parches relativamente grandes conocidos como dominios . Los intentos de magnetizar áreas más pequeñas fallarían. Con ortoferrita, si se escribía el parche y luego se aplicaba un campo magnético a todo el material, el parche se encogía hasta convertirse en un círculo diminuto, al que llamó burbuja . Estas burbujas eran mucho más pequeñas que los dominios de los medios normales como la cinta, lo que sugería que eran posibles densidades de área muy altas.
En los Laboratorios Bell se produjeron cinco descubrimientos importantes:
El sistema de burbujas no puede describirse mediante una sola invención, sino en términos de los descubrimientos anteriores. Andy Bobeck fue el único descubridor de (4) y (5) y codescubridor de (2) y (3); (1) fue realizado por P. Michaelis en el grupo de P. Bonyhard. En un momento dado, más de 60 científicos trabajaban en el proyecto en Bell Labs, muchos de los cuales han ganado reconocimiento en este campo. Por ejemplo, en septiembre de 1974, HED Scovil , PC Michaelis y Bobeck recibieron el premio IEEE Morris N. Liebmann Memorial Award por el IEEE con la siguiente mención: Por el concepto y desarrollo de dominios magnéticos de pared simple (burbujas magnéticas), y por el reconocimiento de su importancia para la tecnología de la memoria.
Llevó algún tiempo encontrar el material perfecto, pero se descubrió que algunos granates tenían las propiedades correctas. Las burbujas se formaban fácilmente en el material y podían empujarse a lo largo de él con bastante facilidad. El siguiente problema era hacer que se movieran al lugar adecuado donde pudieran leerse nuevamente: el twistor era un alambre y solo había un lugar al que ir, pero en una hoja 2D las cosas no serían tan fáciles. A diferencia de los experimentos originales, el granate no restringía el movimiento de las burbujas solo en una dirección, pero sus propiedades de burbuja eran demasiado ventajosas como para ignorarlas.
La solución fue imprimir un patrón de pequeñas barras magnéticas sobre la superficie del granate, llamadas elementos de propagación. Cuando se aplicaba un pequeño campo magnético, se magnetizaban y las burbujas se "pegaban" a un extremo. Al invertir el campo, se sentían atraídas hacia el extremo más alejado y se desplazaban hacia abajo por la superficie. Otra inversión las hacía saltar del extremo de la barra a la siguiente barra de la línea, y así sucesivamente, controlando o guiando la dirección de desplazamiento de las burbujas. Las barras/guías en forma de T, con forma de letras, se utilizaban en los primeros diseños de memorias de burbujas, pero luego se reemplazaron por otras formas, como los chevrones asimétricos. [3] En la práctica, el campo magnético gira y lo proporciona un par de bobinas, que producen un campo magnético giratorio en los ejes X y Z; es este campo magnético giratorio el que mueve las burbujas en la memoria.
También se consideraron las películas magnéticas amorfas, ya que tenían un mayor potencial para mejorar las memorias de las burbujas en comparación con las películas magnéticas de granate; sin embargo, la experiencia existente con películas de granate significó que no ganaron terreno. Las películas de granate tienen las mismas o mejores propiedades magnéticas que las películas de ortoferrita, que se consideraron menos prometedoras en comparación. Los materiales de granate (como películas sobre un sustrato) podrían permitir velocidades de propagación de las burbujas más altas (velocidad de burbuja) que las ortoferritas. Las burbujas duras son más lentas y más erráticas que las burbujas normales, un problema que a menudo se supera mediante la implantación de iones de la película magnética de granate con neón [4] , y también se puede hacer recubriendo la película magnética de granate con permalloy [5] .
Un dispositivo de memoria se forma alineando pequeños electroimanes en un extremo con detectores en el otro extremo. Las burbujas escritas en ellas se empujan lentamente hacia el otro extremo, formando una lámina de twistores alineados uno al lado del otro. Al conectar la salida del detector a los electroimanes, la lámina se convierte en una serie de bucles, que pueden contener la información durante tanto tiempo como sea necesario. [3]
La memoria de burbujas es una memoria no volátil . Incluso cuando se cortaba la energía, las burbujas permanecían, al igual que los patrones en la superficie de una unidad de disco . Mejor aún, los dispositivos de memoria de burbujas no necesitaban partes móviles: el campo que empujaba las burbujas a lo largo de la superficie se generaba eléctricamente, mientras que los medios como las cintas y las unidades de disco requerían movimiento mecánico. Finalmente, debido al pequeño tamaño de las burbujas, la densidad era en teoría mucho mayor que la de los dispositivos de almacenamiento magnético existentes. La única desventaja era el rendimiento; las burbujas tenían que recorrer un ciclo hasta el extremo más alejado de la hoja antes de poder leerlas.
Un dispositivo de memoria de burbuja consiste en una caja que alberga una PCB con conexiones a uno o más chips de memoria de burbuja que pueden ser translúcidos. El área alrededor de los chips en la PCB está rodeada por dos bobinados hechos de alambre de cobre u otro material conductor de electricidad, que envuelven principalmente el área, dejando algo de espacio para que la PCB pase a través de los bobinados y se conecte a los chips. Los bobinados están enrollados en direcciones opuestas entre sí, por ejemplo, un bobinado tiene cables orientados a lo largo del eje X y el otro bobinado tiene cables a lo largo del eje Z. Los bobinados, a su vez, están rodeados por dos imanes permanentes, uno debajo y otro encima de los bobinados. Esto forma un conjunto que se aloja dentro de la caja que actúa como un escudo magnético y forma una ruta de retorno magnética para el campo magnético de los imanes. Los imanes permanentes son críticos; crean un campo magnético estático (CC, corriente continua), utilizado como un campo de polarización que permite retener el contenido de la memoria, en otras palabras, permiten que las memorias de burbuja sean no volátiles. Si se retiran los imanes, desaparecerán todas las burbujas y, por lo tanto, se eliminará todo el contenido. Los devanados crean un campo magnético giratorio paralelo a la orientación de la memoria de burbujas, a unos 100 a 200 kHz. Esto moverá o impulsará las burbujas en la película magnética de una manera algo circular, guiadas o restringidas por los elementos de propagación. Por ejemplo, el campo magnético giratorio puede obligar a las burbujas a circular constantemente alrededor de bucles, que pueden ser alargados y están definidos por las ubicaciones de los elementos guía. [3] [6]
Para permitir que las burbujas se muevan alrededor de los chips de burbujas y guiarlas a través del chip, los chips tienen algún tipo de patrón hecho de metal ferromagnético que puede incluir, por ejemplo, chevrones asimétricos. [3] Por ejemplo, las burbujas pueden moverse alrededor de los bordes de los chevrones. Los patrones pueden llamarse elementos de propagación, ya que permiten que las burbujas se muevan o se propaguen a través de ellos. Definen rutas para que las burbujas se almacenen y recuperen para su lectura y el campo magnético giratorio mueve las burbujas a lo largo de estas rutas. Para la memoria de burbujas, se utiliza un material como el granate de gadolinio y galio como sustrato en los chips. [3] Encima del sustrato hay una película magnética (huésped de burbuja o película/capa de burbuja) [5] [4] como un granate que contiene gadolinio [5] o más a menudo, un granate de hierro y itrio sustituido de cristal único [4] que sostiene las burbujas magnéticas, que se cultiva epitaxialmente con epitaxia en fase líquida con fundente de óxido de plomo como líquido con óxido de itrio y otros óxidos, y luego la película se dopa con implantación iónica de uno o varios elementos, para reducir características indeseables. [5] [3] El proceso de epitaxia se llevaría a cabo con un crisol de platino y un soporte de obleas. [4] Los chevrones y otras partes se construyen sobre la película. [3] Los elementos de propagación, incluidos los chevrones, pueden estar hechos de un material como permalloy de níquel-hierro. Los materiales en las memorias de burbujas se eligen principalmente por sus propiedades magnéticas. [3] El granate de gadolinio y galio se utiliza como sustrato porque puede soportar el crecimiento epitaxial de películas de granate magnético y no es magnético, [4] aunque algunas memorias de burbuja utilizan sustratos de níquel-cobalto en su lugar.
Se propuso el uso de elementos de propagación formados por implantación de iones en lugar de permalloy, para aumentar la capacidad de memoria de burbuja a 16 Mbit/cm 2 . [4]
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El equipo de Bobeck pronto tuvo memorias de 1 cm (0,39 pulgadas) de lado que almacenaban 4.096 bits, lo mismo que un plano de memoria de núcleo estándar en ese momento . Esto despertó un interés considerable en la industria. Las memorias de burbuja no solo podían reemplazar a las de núcleo, sino que parecía que también podían reemplazar a las cintas y los discos. De hecho, parecía que la memoria de burbuja pronto sería la única forma de memoria utilizada en la gran mayoría de aplicaciones, siendo el mercado de alto rendimiento el único al que no podían atender.
La tecnología se incluyó en dispositivos experimentales de Bell Labs en 1974. [8] A mediados de la década de 1970, prácticamente todas las grandes empresas de electrónica tenían equipos trabajando en memoria de burbuja. [9] Texas Instruments presentó el primer producto comercial que incorporaba memoria de burbuja en 1977, e introdujo la primera memoria de burbuja disponible comercialmente, la TIB 0103 con una capacidad de 92 kilobits. [10] [11] [12] A finales de la década de 1970, varios productos estaban en el mercado, e Intel lanzó su propia versión de 1 megabit, el 7110, en 1979. [13] [14] [15] Sin embargo, a principios de la década de 1980, la tecnología de memoria de burbuja se convirtió en un callejón sin salida con la introducción de sistemas de disco duro que ofrecían mayores densidades de almacenamiento, mayores velocidades de acceso y menores costos. En 1981, las principales empresas que trabajaban en la tecnología cerraron sus operaciones de memoria de burbuja, [16] en particular Rockwell, National Semiconductor, Texas Instruments y Plessey, dejando un grupo de "cinco grandes" empresas que todavía perseguían la "burbuja de segunda generación" en 1984: Intel, Motorola, Hitachi, SAGEM y Fujitsu . [17] Las memorias de burbuja de 4 megabits, como la Intel 7114, se introdujeron en 1983 [18] [19] [20] y se desarrolló la memoria de burbuja de 16 megabits. [21] [22]
La memoria de burbuja se utilizó en mercados especializados durante la década de 1980 en sistemas que necesitaban evitar las tasas más altas de fallas mecánicas de las unidades de disco y en sistemas que operaban en entornos hostiles o con mucha vibración. Esta aplicación también quedó obsoleta con el desarrollo del almacenamiento flash , que también trajo consigo beneficios en términos de rendimiento, densidad y costo.
Una de las aplicaciones fue el sistema de videojuegos arcade Bubble System de Konami , presentado en 1984. Contaba con cartuchos de memoria de burbuja intercambiables en una placa basada en 68000. El Bubble System requería un tiempo de "calentamiento" de unos 85 segundos (indicado por un temporizador en la pantalla cuando se encendía) antes de que se cargara el juego, ya que la memoria de burbuja debe calentarse a unos 30 a 40 °C (86 a 104 °F) para funcionar correctamente. Fujitsu utilizó memoria de burbuja en su FM-8 en 1981 y Sharp la utilizó en su serie PC 5000 , una computadora portátil similar a una laptop de 1983. Nicolet utilizó módulos de memoria de burbuja para guardar formas de onda en su osciloscopio Modelo 3091, al igual que HP, que ofreció una opción de memoria de burbuja de $1595 que extendía la memoria en su analizador de señal digital modelo 3561A. GRiD Systems Corporation lo utilizó en sus primeras laptops. La comunicación TIE la utilizó en el desarrollo temprano de los sistemas telefónicos digitales para reducir sus tasas de MTBF y producir un procesador central del sistema telefónico no volátil. [23] La memoria de burbuja también se utilizó en el sistema Quantel Mirage DVM8000/1 VFX. [ cita requerida ]
Para almacenar las burbujas, los elementos de propagación están en pares y de lado a lado, y están dispuestos en filas llamadas bucles para almacenar las burbujas, por lo tanto, son bucles de almacenamiento ya que las burbujas que se almacenan en un bucle circularán constantemente alrededor de él, forzadas por el campo magnético giratorio que también puede mover las burbujas a otra parte. Las memorias de burbuja tienen bucles de repuesto adicionales para permitir un mayor rendimiento durante la fabricación, ya que reemplazan los bucles defectuosos. La lista de bucles defectuosos se programa en la memoria, en un bucle especial separado llamado bucle de arranque, y también suele estar impresa en la etiqueta de la memoria. Un controlador de memoria de burbuja leerá el bucle de arranque cada vez que se encienda un sistema de memoria de burbuja, durante la inicialización, el controlador colocará los datos del bucle de arranque en un registro de bucle de arranque. La escritura en una memoria de burbuja se realiza mediante un formateador dentro del controlador de memoria y las señales de los bits leídos en la memoria de burbuja son amplificadas por el amplificador de detección del controlador y harán referencia al registro del bucle de arranque para evitar la sobrescritura o la lectura adicional de los datos en el bucle de arranque. [3]
Las burbujas se crean (se escribe la memoria) con una burbuja semilla que se divide o corta constantemente mediante un trozo de alambre conductor de electricidad en forma de horquilla (como una aleación de aluminio y cobre) utilizando una corriente lo suficientemente fuerte como para superar localmente e invertir el campo de polarización magnética generado por los imanes, por lo que el trozo de alambre en forma de horquilla actúa como un pequeño electroimán. La burbuja semilla recupera su tamaño original rápidamente después del corte. La burbuja semilla circula bajo un parche circular de permalloy que evita que se mueva a otro lugar. Después de la generación, las burbujas circulan hacia una "pista de entrada" y luego hacia un bucle de almacenamiento. Las burbujas viejas podrían sacarse del bucle hacia una "pista de salida" para su destrucción posterior. El espacio dejado por las burbujas viejas estaría entonces disponible para las nuevas. [3] Si alguna vez se pierde la burbuja semilla, se puede nuclear una nueva mediante señales especiales enviadas a la memoria de la burbuja y una corriente de 2 a 4 veces mayor que la necesaria para cortar las burbujas de la burbuja semilla. [4]
Las burbujas en un bucle de almacenamiento (y los espacios vacíos para burbujas) circulan constantemente alrededor de él. Para leer una burbuja, se "replicaría" moviéndola a un elemento de propagación más grande para estirar la burbuja, luego se pasaría por debajo de un conductor en forma de horquilla para cortarla en dos con un pulso de corriente que dura 1/4 de hercio y tiene forma de onda de pico con un borde posterior largo, esto dividiría la burbuja en dos, una de las cuales continuaría circulando en el bucle de almacenamiento, manteniendo la burbuja y, por lo tanto, los datos seguros en caso de falla de energía. La otra burbuja se movería a una pista de salida para moverla a un detector que es un puente magnetorresistivo, hecho de una columna de chevrones de permalloy interconectados donde los chevrones están uno detrás del otro, y antes de él hay columnas similares de chevrones que no están interconectados. Estos estiran las burbujas para generar una salida más grande en el detector. El detector tiene una corriente eléctrica constante y cuando las burbujas pasan por debajo de él, cambian ligeramente la resistencia eléctrica y, por lo tanto, la corriente en el detector, y el movimiento de las burbujas crea un voltaje del orden de milivoltios, y esto se lee como un 1 o un 0. Debido a que la burbuja debe moverse a un área específica para ser leída, existen restricciones de latencia. Después del detector, las burbujas se estrellan contra una barandilla de protección para destruirlas. Un 1 está representado por una burbuja y un 0 está representado por la ausencia de una burbuja. [3]
Las obleas de granate de galio y gadolinio utilizadas como sustratos para los chips de burbujas tenían un diámetro de 3 pulgadas y costaban 100 dólares cada una en 1982, ya que su producción requería el uso de crisoles de iridio. [4]
En 2007, investigadores del MIT propusieron la idea de utilizar burbujas microfluídicas como lógica (en lugar de memoria) . La lógica de burbujas utilizaría nanotecnología y se ha demostrado que tiene tiempos de acceso de 7 ms, que es más rápido que los tiempos de acceso de 10 ms que tenían los discos duros contemporáneos, aunque es más lento que el tiempo de acceso de la RAM tradicional y de los circuitos lógicos tradicionales, lo que hace que la propuesta no sea comercialmente práctica. [24]
El trabajo de IBM de 2008 sobre la memoria de las pistas de carreras es esencialmente una versión unidimensional de la burbuja, que guarda una relación aún más estrecha con el concepto original del twistor serial. [25]
Entre los fabricantes de unidades de burbujas magnéticas, además de Bell Labs e IBM, se encuentran Texas Instruments, la división de control de procesos de Honeywell Inc. en Phoenix y Rockwell International...
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