11 мая 1951 года инженер-исследователь и руководитель лаборатории цифровых компьютеров Массачусетского технологического института Джей Форрестер отправил в патентное бюро США описание трёхмерной матрицы магнитных сердечников, разработанной в рамках проекта Whirlwind для военных расчётов в реальном времени. Немного раньше, в октябре 1949 года, схожую задачу решил инженер Ван Ань, эмигрировавший из Шанхая и работавший в вычислительной лаборатории Гарварда: он подал заявку на патент устройства, которое назвал "pulse transfer controlling devices", предложив в нём и способ переключения ферритового кольца импульсами тока, и метод считывания без обязательного разрушения хранимого значения. В 1955-1956 годах корпорация IBM выкупила права на этот патент за 500 тысяч долларов, поскольку без него практическое использование ферритовых сердечников в серийных машинах было бы существенно сложнее. Оба изобретателя опирались на одно и то же физическое свойство феррита - способность его кольцевого сердечника после снятия намагничивающего поля сохранять одно из двух устойчивых состояний остаточной индукции сколь угодно долго. Именно эта прямоугольная, или квадратная, форма петли гистерезиса на два десятилетия определила облик оперативной памяти вычислительных машин, пока её не вытеснила полупроводниковая электроника.
Как ферритовые кольца стали первой памятью с произвольным доступом
Сердечники в проекте Whirlwind и его последователях объединялись в плоскости размером от 64 на 64 до 128 на 128 колец, что давало от 4 до 16 килобит на плоскость; набор таких плоскостей по числу разрядов машинного слова, обычно от 16 до 32, называли стопкой или кубом памяти. Каждое кольцо через своё отверстие пронизывали несколько проводов: провода записи по осям X и Y, провод считывания и провод запрета, и именно сочетание токов в этих проводах определяло, какое из двух состояний примет конкретный сердечник. Ферритовая память быстро стала основной оперативной памятью ЭВМ на два последующих десятилетия, обеспечивая энергонезависимое хранение данных без постоянного питания, чего не могли дать электронно-лучевые трубки Уильямса, применявшиеся до неё.
Физическая причина устойчивости двух намагниченных состояний кольца
Феррит представляет собой твёрдый раствор оксида двухвалентного металла MeO и оксида железа Fe2O3; в роли MeO выступают NiO, MnO, ZnO, MgO, CoO и их сочетания, а сердечники изготавливают методами порошковой металлургии - прессованием смеси порошков с последующим спеканием при температуре от 850 до 1500 градусов Цельсия и медленным многочасовым охлаждением. Ключевое достоинство феррита как материала памяти - его крайне низкая удельная электропроводность: при перемагничивании в толще материала практически не возникают вихревые токи, а значит, отсутствуют связанные с ними потери энергии и паразитный нагрев, что позволяет переключать сердечники импульсами тока длительностью в доли микросекунды без разрушения материала.
Сама прямоугольность петли определяется тем, насколько резко происходит смещение доменных стенок при достижении полем порогового значения, называемого коэрцитивной силой Hc. Пока напряжённость внешнего поля меньше Hc, намагниченность сердечника почти не меняется, а как только поле превышает этот порог, происходит лавинообразное перемагничивание почти всего объёма сразу. Степень идеальности петли принято выражать коэффициентом прямоугольности Kп, равным отношению остаточной индукции Br к индукции насыщения Bm; для качественных ферритов памяти это отношение приближается к 0,9-0,95, тогда как у материалов с наклонной петлёй, пригодных для высокочастотных трансформаторов, но не для памяти, Kп заметно ниже. Управляя составом шихты, дисперсностью порошка и режимом термообработки, технологи одного и того же семейства ферритов получают либо высокую начальную магнитную проницаемость для импульсных трансформаторов и дросселей, либо, напротив, максимально прямоугольную петлю для запоминающих ячеек.
Магний-марганцевые и никель-цинковые ферриты как рабочий материал сердечников
Для памяти чаще всего применялись никель-цинковые и магний-марганцевые ферриты: их состав подбирался так, чтобы кристаллическая анизотропия материала благоприятствовала образованию именно двух устойчивых ориентаций магнитных доменов вдоль оси кольца, а не плавному повороту вектора намагниченности. Простой феррит с одним видом оксида металла называют моноферритом, а смешанные составы с несколькими оксидами - полиферритами; в технике памяти преобладали именно полиферриты, поскольку смешение оксидов даёт больше степеней свободы для настройки коэрцитивной силы и прямоугольности одновременно. Порошковая металлургия позволяла изготавливать сердечники самых разных форм и размеров: от сантиметровых П- и Ш-образных деталей до миниатюрных колец диаметром в десятые доли миллиметра, которые как раз и применялись в матрицах памяти, где счёт шёл на миллионы элементов в одном устройстве. Помимо состава на прямоугольность петли заметно влияет температура эксплуатации: при приближении к точке Кюри материала спонтанная намагниченность доменов падает, коэрцитивная сила снижается, и петля постепенно теряет резкость перехода, поэтому для аппаратуры с расширенным температурным диапазоном подбирали ферриты с запасом по точке Кюри относительно верхней рабочей температуры устройства.
Принцип совпадения токов и запись бита в ферритовом кольце
Работа ферритовой ячейки строится на управлении полем через провод, пронизывающий кольцо: если пропустить импульс тока, создающий поле напряжённостью Hm больше Hc, сердечник переходит в состояние остаточной индукции +Br, что условно называют записью единицы, а импульс противоположной полярности переводит его в состояние -Br, то есть записывает ноль. Чтобы не тянуть к каждому кольцу отдельный провод записи, инженеры применили принцип совпадения токов: поле Hm создаётся не одним, а двумя одновременными импульсами, каждый из которых в отдельности даёт поле не больше Hm/2 и потому не способен переключить ни один сердечник самостоятельно; переключается только то кольцо, через которое проходят сразу оба провода с током одной полярности, то есть кольцо на пересечении конкретной строки и столбца матрицы. Через каждое кольцо в типичной ячейке пропускали до четырёх проводов, и у каждого была своя роль:
- провод X - несёт половину поля записи по горизонтальной координате матрицы;
- провод Y - несёт вторую половину поля записи по вертикальной координате, и совпадение токов X и Y переключает конкретное кольцо;
- провод считывания - пронизывает все кольца одного разряда последовательно и снимает сигнал перемагничивания при обращении к ячейке;
- провод запрета - пропускает встречный импульс, который блокирует запись единицы в тех кольцах разряда, где по логике операции должен остаться ноль.
Считывание устроено похожим образом: импульс тока переводит сердечник в состояние -Br принудительно, и если до этого он хранил единицу, в проводе считывания возникает заметный сигнал перемагничивания, а если уже хранил ноль - сигнал оказывается значительно слабее. Из этого следует важная особенность технологии: считывание всегда стирает исходную информацию, поэтому за каждым циклом чтения обязательно следует цикл восстановления, вновь записывающий прочитанное значение обратно в сердечник.
Архитектуры 2D, 2,5D и 3D запоминающих устройств и их ёмкость
Расположение сердечников в матрицах и способ соединения проводов записи и считывания определяли три основные системы организации памяти. Система 3D, или с плоской выборкой, использует полутоковый принцип совпадения и наиболее экономична по числу внешних электронных схем управления, но требует большего числа проводов через каждый сердечник; она хорошо подходит для устройств большой ёмкости при умеренном быстродействии. Система 2D, или с непосредственной выборкой полным током, наименее экономична, зато обеспечивает наивысшее быстродействие и потому применялась в памяти малой ёмкости. Промежуточная система 2,5D сочетает черты обеих схем и позволяла при сравнительно скромных затратах получать высокое быстродействие даже в устройствах большой ёмкости, из-за чего именно она преобладала в вычислительных машинах позднего поколения ферритовой памяти. Типичное устройство на ферритовых сердечниках хранило до нескольких десятков миллионов бит и обеспечивало время выборки от десятых долей до нескольких микросекунд, а в его состав, помимо самих сердечников, которых требовались миллионы, входили сотни транзисторов, тысячи полупроводниковых диодов и сотни интегральных микросхем управления.
Расчёт времени переключения сердечника и числовой пример
Скорость перемагничивания ферритового кольца качественно описывается зависимостью, известной в литературе как уравнение Менюка-Гуденафа, выведенное Норманом Менюком и Джоном Гуденафом ещё в 1955 году в работе о теории переключения потока в поликристаллических ферромагнетиках: величина, обратная времени переключения, растёт пропорционально превышению приложенного поля H над пороговым значением H0, близким к коэрцитивной силе, а коэффициент пропорциональности Sw называют коэффициентом переключения материала. Примечательно, что тот же Гуденаф спустя более чем шесть десятилетий, уже в 97-летнем возрасте, получил Нобелевскую премию по химии 2019 года за вклад в создание литий-ионных аккумуляторов. Соотношение записывается как t = Sw / (H - H0), где t - время переключения, Sw измеряется в эрстед-микросекундах, а H и H0 - в эрстедах. Возьмём для примера сердечник с коэффициентом переключения Sw = 0,5 Э·мкс и пороговым полем H0 = 0,4 Э: при приложении управляющего поля H = 1,4 Э время переключения составит t = 0,5 / (1,4 - 0,4) = 0,5 микросекунды, что попадает в характерный для ферритовой памяти диапазон от десятых долей до нескольких микросекунд. Если увеличить управляющее поле до 2,4 Э, то есть вдвое поднять превышение над порогом, время переключения сократится до 0,25 микросекунды - это показывает, почему конструкторы устройств стремились работать на полях, заметно превышающих Hc, жертвуя энергопотреблением ради быстродействия. Помимо амплитуды поля, на итоговое время переключения влияют крутизна фронта импульса тока, геометрические размеры кольца и, конечно, сама прямоугольность петли: чем ближе Kп к единице, тем резче происходит переключение и тем меньше расходуется энергии на неполезный поворот доменов, не завершающийся полным перемагничиванием.
Почему полупроводниковая память вытеснила ферритовую и где живёт принцип квадратной петли сегодня
К середине 1970-х годов полупроводниковая память на транзисторах обошла ферритовую по плотности размещения битов, энергопотреблению и, что оказалось решающим, по себестоимости массового производства: изготовление и прошивка миллионов крошечных колец проводами вручную или на полуавтоматических станках попросту не масштабировались так, как процессы фотолитографии на кремниевых пластинах. Тем не менее ферритовая память сохраняла нишевые преимущества там, где они были критичны: устойчивость к ионизирующему излучению, отсутствие деградации при многолетнем хранении без питания и предсказуемое поведение при экстремальных температурах, из-за чего отдельные образцы такой памяти продолжали использовать в аэрокосмической и специальной аппаратуре ещё долгое время после того, как в массовых компьютерах она полностью исчезла.
Сама идея квадратной петли гистерезиса как способа устойчиво хранить бит информации не исчезла вместе с ферритовыми кольцами. В современных магниторезистивных запоминающих устройствах типа MRAM и в спиновых клапанах для устройств хранения используется схожий принцип: два направления намагниченности рабочего слоя дают два различимых электрических состояния, а переключение между ними происходит скачкообразно при превышении порогового тока или поля, что физически повторяет логику прямоугольной петли, только реализованную в тонкоплёночных наноструктурах, а не в объёмных ферритовых кольцах. Инженеры, разрабатывавшие эти устройства спустя полвека после Форрестера и Ван Аня, решают ту же задачу - получить резкий, воспроизводимый переход между двумя устойчивыми магнитными состояниями, - но уже на масштабах в тысячи раз меньших и при токах в тысячи раз слабее, чем требовалось для перемагничивания миллиметрового ферритового кольца в машинах середины двадцатого века.