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 por las que 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 reescritas en el borde más alejado para mantener la memoria recorriendo el material. En funcionamiento, las memorias de burbujas 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 la de los discos duros y sin partes móviles. Esto llevó a muchos a considerarlo un candidato a una "memoria universal" que podría usarse para todas las necesidades de almacenamiento. La introducción de chips de memoria semiconductores dramáticamente más rápidos a principios de la década de 1970 empujó a la burbuja hacia el extremo lento de la escala y comenzó a ser considerada principalmente como un reemplazo de los discos. Las mejoras igualmente dramáticas en la capacidad del disco duro a principios de la década de 1980 lo hicieron poco competitivo en términos de precios 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 a prueba de golpes. La introducción del almacenamiento flash y tecnologías similares hizo que incluso este nicho dejara de ser competitivo y la burbuja desapareció por completo a finales de los años 1980.
La memoria de burbujas es en gran medida creación de una sola persona, Andrew Bobeck . Bobeck había trabajado en muchos tipos de proyectos relacionados con el magnético durante la década de 1960, y dos de sus proyectos lo colocaron en una posición particularmente buena para el desarrollo de la memoria de burbujas. 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 memoria central que reemplaza los "núcleos" con un trozo de cinta magnética . La principal ventaja del twistor es su capacidad de ser ensamblado mediante máquinas automatizadas, a diferencia del núcleo, que era casi en su totalidad manual. AT&T tenía grandes esperanzas en Twistor, creyendo que reduciría en gran medida el costo de la memoria de la computadora y los colocaría en una posición de liderazgo en la industria. En cambio, las memorias DRAM llegaron al mercado a principios de la década de 1970 y reemplazaron rápidamente a todos los sistemas de memoria de acceso aleatorio anteriores . Twistor terminó usándose sólo en unas pocas aplicaciones, muchas de ellas en las propias computadoras de AT&T.
En la producción se observó un efecto secundario interesante del concepto de twistor: bajo ciertas condiciones, hacer pasar una corriente a través de uno de los cables eléctricos que corren dentro de la cinta causaría que los campos magnéticos de la cinta se movieran en la dirección de la corriente. Si se usaba correctamente, permitía que los bits almacenados fueran empujados hacia abajo en la cinta y salieran del extremo, formando un tipo de memoria de línea de retardo , pero donde la propagación de los campos estaba bajo control de computadora, en lugar de avanzar automáticamente a una velocidad determinada. Tarifa fija definida por los materiales utilizados. Sin embargo, un sistema de este tipo tenía pocas ventajas sobre Twistor, especialmente porque no permitía el acceso aleatorio.
En 1967, Bobeck se unió a un equipo de Bell Labs y comenzó a trabajar para mejorar el twistor . La densidad de memoria del twistor era función del tamaño de los cables; la longitud de cualquier cable determinaba cuántos bits contenía, y muchos de esos cables se colocaron uno al lado del otro para producir un sistema de memoria más grande.
Los materiales magnéticos convencionales, como la cinta magnética utilizada en 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 aleación permanente, descubrió que era posible mover señales magnéticas en direcciones ortogonales dentro de la película. Este trabajo fundamental dio lugar a una solicitud de patente. [2] El dispositivo de memoria y el método de propagación se describieron en un artículo presentado en la 13ª Conferencia Anual sobre Magnetismo y Materiales Magnéticos, Boston, Massachusetts, 15 de septiembre de 1967. El dispositivo utilizaba películas magnéticas delgadas anisotrópicas que requerían diferentes combinaciones de pulsos magnéticos para la propagación ortogonal. direcciones de propagación. La velocidad de propagación también dependía de los ejes magnéticos duro y fácil. Esta diferencia sugirió que sería deseable un medio magnético isotrópico.
Esto llevó a la posibilidad de crear 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 twistor. Al empezar a ampliar este concepto con ortoferrita , Bobeck notó un efecto adicional interesante. Con los materiales de cinta magnética utilizados en Twistor, los datos debían almacenarse en parches relativamente grandes conocidos como dominios . Los intentos de magnetizar áreas más pequeñas fracasarían. Con la ortoferrita, si se escribía el parche y luego se aplicaba un campo magnético a todo el material, el parche se encogía hasta formar un círculo diminuto, al que llamó burbuja . Estas burbujas eran mucho más pequeñas que los dominios de medios normales como la cinta, lo que sugería que eran posibles densidades de área muy altas.
En Bell Labs 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 interpretada por P. Michaelis en el grupo de P. Bonyhard. En un momento dado, más de 60 científicos estaban trabajando en el proyecto en los Laboratorios Bell, muchos de los cuales han obtenido 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 otorgado por el IEEE con la siguiente mención: Por el concepto y desarrollo de dominios magnéticos de pared simple (burbujas magnéticas), y por 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. Se formarían fácilmente burbujas en el material y podrían empujarse a lo largo de él con bastante facilidad. El siguiente problema era hacer que se movieran al lugar adecuado donde pudieran volver a leerse: el twistor era un cable 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 obligó a las burbujas a moverse solo en una dirección, pero sus propiedades de burbuja eran demasiado ventajosas para ignorarlas.
La solución fue imprimir un patrón de pequeñas barras magnéticas en la superficie del granate, llamados elementos de propagación. Cuando se aplicaba un pequeño campo magnético, se magnetizaban y las burbujas se "pegaban" a un extremo. Luego, al invertir el campo, serían atraídos hacia el otro extremo, moviéndose hacia abajo en la superficie. Otra inversión las haría saltar del extremo de la barra a la siguiente barra de la línea, y así sucesivamente, controlando o guiando la dirección de viaje de las burbujas. Las barras/guías en T, con forma de letras, se utilizaron en los primeros diseños de memoria de burbujas, pero luego fueron reemplazadas por otras formas, como galones asimétricos. [3] En la práctica, el campo magnético gira y es proporcionado por 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 la memoria de las burbujas en comparación con las películas magnéticas de granate; sin embargo, la experiencia existente con películas de granate significó que no lograron afianzarse. Las películas de granate tienen propiedades magnéticas iguales o mejores que las películas de ortoferrita, que en comparación se consideraban menos prometedoras. Los materiales de granate (como películas sobre un sustrato) podrían permitir velocidades de propagación de las burbujas más altas (velocidad de la burbuja) que las ortoferritas. Las burbujas duras son más lentas y erráticas que las burbujas normales, un problema que a menudo se soluciona 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 aleación permanente. [5]
Un dispositivo de memoria se forma alineando pequeños electroimanes en un extremo con detectores en el otro. Las burbujas escritas se empujaban lentamente hacia la otra, formando una hoja de tornados alineados uno al lado del otro. Al conectar la salida del detector a los electroimanes, la hoja se convierte en una serie de bucles, que pueden retener la información durante el tiempo que sea necesario. [3]
La memoria de burbuja es una memoria no volátil . Incluso cuando se cortó la energía, las burbujas permanecieron, tal como lo hacen los patrones en la superficie de una unidad de disco . Mejor aún, los dispositivos con memoria de burbujas no necesitaban partes móviles: el campo que empujaba las burbujas a lo largo de la superficie se generaba eléctricamente, mientras que medios como cintas y 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. El único inconveniente fue el rendimiento; las burbujas tenían que llegar hasta el otro extremo de la hoja antes de poder leerlas.
Un dispositivo de memoria de burbuja consta de una carcasa 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 devanados 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 devanados y se conecte a los chips. Los devanados están enrollados en direcciones opuestas entre sí, por ejemplo un devanado tiene alambres orientados a lo largo del eje X y el otro devanado tiene alambres a lo largo del eje Z. Los devanados, a su vez, están rodeados por dos imanes permanentes, uno debajo y otro encima de los devanados. Esto forma un conjunto alojado dentro de la caja que actúa como un escudo magnético y forma una ruta de retorno magnético para el campo magnético de los imanes. Los imanes permanentes son fundamentales; crean un campo magnético estático (CC, corriente continua), utilizado como campo de polarización que permite retener el contenido de la memoria, en otras palabras, permiten que las memorias burbuja sean no volátiles. Si se retiran los imanes, todas las burbujas desaparecerán y, por tanto, se eliminará todo el contenido. Los devanados crean un campo magnético giratorio paralelo a la orientación de la memoria de la burbuja, entre 100 y 200 kHz. Esto moverá o impulsará las burbujas en la película magnética de forma 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, galones asimétricos. [3] Por ejemplo, las burbujas pueden moverse alrededor de los bordes de los galones. Los patrones pueden denominarse elementos de propagación, ya que permiten que las burbujas se muevan o se propaguen a través de ellos. Definen caminos para que las burbujas se almacenen y recuperen para su lectura y el campo magnético giratorio mueve las burbujas a lo largo de estos caminos. Para la memoria de burbujas, se utiliza un material como gadolinio galio granate como sustrato en los chips. [3] Encima del sustrato hay una película magnética (anfitrión de burbujas o película/capa de burbujas) [5] [4] como un granate que contiene gadolinio [5] o, más a menudo, un granate de hierro ytrio sustituido con monocristal [4] que contiene las burbujas magnéticas, es decir, se hace crecer epitaxialmente con epitaxia en fase líquida con flujo de óxido de plomo como líquido con óxido de itrio y otros óxidos, y luego la película se dopa con implantación de iones de uno o varios elementos, para reducir las características indeseables. [5] [3] El proceso de epitaxia se llevaría a cabo con un crisol de platino y un soporte para oblea. [4] Los galones y otras partes están construidas sobre la película. [3] Los elementos de propagación, incluidos los chevrones, pueden estar hechos de un material como la aleación permanente de níquel-hierro. Los materiales de 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 burbujas 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 las burbujas a 16 Mbit/cm 2 . [4]
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El equipo de Bobeck pronto tuvo memorias de 1 cm (0,39 pulgadas) cuadradas que almacenaban 4.096 bits, lo mismo que un plano estándar de memoria central en ese momento . Esto despertó un considerable interés en la industria. Las memorias de burbujas no sólo podían reemplazar al 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 las aplicaciones, siendo el mercado de alto rendimiento el único al que no podrían atender.
La tecnología se incluyó en dispositivos experimentales de los Laboratorios Bell en 1974. [8] A mediados de la década de 1970, prácticamente todas las grandes empresas de electrónica tenían equipos trabajando en memorias de burbujas. [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] A principios de la década de 1980, sin embargo, la tecnología de la 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 esta tecnología cerraron sus operaciones de memoria de burbujas, [16] en particular Rockwell, National Semiconductor, Texas Instruments y Plessey, dejando un grupo de "cinco grandes" de empresas que todavía perseguían la "burbuja de segunda generación" en 1984: Intel, Motorola, Hitachi, SAGEM y Fujitsu . [17] Las memorias burbuja de 4 megabits, como la Intel 7114, se introdujeron en 1983 [18] [19] [20] y se desarrolló la memoria burbuja de 16 megabits. [21] [22]
La memoria de burbuja encontró usos en nichos de mercado durante la década de 1980 en sistemas que necesitaban evitar tasas más altas de fallas mecánicas de las unidades de disco y en sistemas que operaban en entornos hostiles o con alta vibración. Esta aplicación también quedó obsoleta con el desarrollo del almacenamiento flash , que también trajo beneficios de rendimiento, densidad y costos.
Una aplicación fue el sistema de videojuegos arcade Bubble System de Konami , presentado en 1984. Presentaba cartuchos de memoria de burbujas intercambiables en una placa basada en 68000 . El sistema de burbujas requirió un tiempo de "calentamiento" de aproximadamente 85 segundos (indicado por un temporizador en la pantalla cuando estaba encendido) antes de cargar el juego, ya que la memoria de burbujas debe calentarse a aproximadamente 30 a 40 °C (86 a 40 °C). 104 °F) para funcionar correctamente. Fujitsu usó memoria de burbuja en su FM-8 en 1981 y Sharp la usó en su serie PC 5000 , una computadora portátil similar a una computadora portátil de 1983. Nicolet usó módulos de memoria de burbuja para guardar formas de onda en su osciloscopio modelo 3091, al igual que HP , que ofreció un Opción de memoria de burbuja de $1595 que amplió la memoria de su analizador de señales digitales modelo 3561A. GRiD Systems Corporation lo utilizó en sus primeras computadoras portátiles. La comunicación TIE lo utilizó en el desarrollo inicial de los sistemas telefónicos digitales para reducir sus tasas MTBF y producir un procesador central de sistema telefónico no volátil. [23] La memoria de burbuja también se utilizó en el sistema VFX Quantel Mirage DVM8000/1. [ cita necesaria ]
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 otros lugares. Las memorias de burbujas 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 a menudo también está impresa en la etiqueta de la memoria. Un controlador de memoria de burbuja leerá el bucle de inicio cada vez que se enciende un sistema de memoria de burbuja; durante la inicialización, el controlador colocará los datos del bucle de inicio en un registro de bucle de inicio. 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 lectura adicional de los datos. en el bucle de arranque. [3]
Las burbujas se crean (se escribe la memoria) con una semilla de burbuja que se divide o corta constantemente mediante un trozo de alambre eléctricamente conductor en forma de horquilla (como una aleación de aluminio y cobre) utilizando una corriente lo suficientemente fuerte como para superar e invertir localmente la energía magnética. campo polarizado generado por los imanes, por lo que el trozo de alambre en forma de horquilla actúa como un pequeño electroimán. La burbuja de la semilla recupera su tamaño original rápidamente después del corte. La burbuja de semillas circula bajo un parche circular de aleación permanente que evita que se mueva a otra parte. Después de la generación, las burbujas circulan por una "pista de entrada" y luego por un circuito de almacenamiento. Las burbujas viejas podrían sacarse del circuito y colocarlas en una "pista de salida" para su destrucción posterior. El espacio dejado por las viejas burbujas estaría disponible para las nuevas. [3] Si alguna vez se pierde la burbuja de semillas, 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 de semillas. [4]
Las burbujas en un circuito de almacenamiento (y los espacios vacíos para las burbujas) circulan constantemente a su alrededor. 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 un hercio y tiene forma de onda de pico con un borde de salida largo, esto dividiría la burbuja en dos, una de las cuales continuaría circulando en el circuito de almacenamiento, manteniendo la burbuja y, por lo tanto, los datos seguros en caso de un corte 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 galones de aleación permanente interconectados donde los galones están uno detrás del otro, y delante hay columnas similares de galones que están no interconectados. Estos estiran las burbujas para generar una mayor salida en el detector. El detector tiene una corriente eléctrica constante, y cuando las burbujas pasan 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 1 o 0. Debido a que la burbuja se debe mover a un área específica para poder leerla, existen restricciones de latencia. Después del detector, las burbujas pasan hacia una barandilla 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 gadolinio y galio utilizadas como sustratos para los chips de burbujas tenían 3 pulgadas de diámetro 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 de microfluidos como lógica (en lugar de memoria) . La lógica de la burbuja 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. haciendo que la propuesta no sea comercialmente práctica. [24]
El trabajo de IBM de 2008 sobre la memoria de pista de carreras es esencialmente una versión unidimensional de la burbuja, que guarda una relación aún más estrecha con el concepto original de torsión en serie. [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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