ЭЛЕМЕНТЫ ЗАПОМИНАЮЩИХ УСТРОЙСТВ

7.1 ОПРЕДЕЛЕНИЯ, КЛАССИФИКАЦИЯ И ПАРАМЕТРЫ.

Основные понятия и классификация. Элементы запоминающих устройств (ЗУ) – это элементы, из которых формируются запоминающие устройства. В ЗУ реализуется функция накопления, или запоминание информации (иногда говорят: функция «памяти»). Типичным примером аналогового ЗУ является бытовой магнитофон. Такие устройства в основном используются, когда требования к точности записи и хранению информации сравнительно невысокие. Основное применение в радиоэлектронной и в электронно-вычислительной аппаратуре имеют дискретные, или цифровые, ЗУ, которые позволяют обеспечить высокую точность записи информации и ее сохранность, долгое время ЗУ имели значения только для ЭВМ, а в РЭА они встречались в специализированных ЭВМ как ее составная часть. С развитием микропроцессоров и применением их в РЭА и в аппаратуре управления технологическими процессами роль ЗУ и их элементов коренным образом изменилась. Функции микропроцессорного устройства определяются программой, записанной в ЗУ. Поэтому, когда в РЭА используются микропроцессорные средства, например для фильтрации, определения места отказов и т.д., обязательно наличие ЗУ.

Поскольку физическое состояние элементов ЗУ, в которых записывается и хранится информация, может подвергаться значительным изменениям, то для обеспечения точности и стабильности записи во всех элементах ЗУ используются двоичные символы, т. е. ведется запись «0» ил «1», которые соответствуют дискретным физическим состояниям элемента ЗУ. Классификация ЗУ проводится по нескольким признакам.

1. по физической сущности явлений, на основе которых в элементах ЗУ достигается запись и хранение информации: элементы, использующие принцип накопления электрического заряда конденсатора, например, в приборах с зарядовой связью (ПЗС), основанные на принципе состояния или особенностей включения полупроводниковых элементов (транзисторов и диодов) и на принципе изменения состояния намагниченности элемента. Последние дополнительно разделяются на элементы ЗУ, в которых применяются тороидальные сердечники, магнитные носители в виде магнитных дисков и пленок и цилиндрические магнитные домены (ЦМД).

2. по функциональному назначению: внешняя память, управляющая память, буферная память и др.

3. по правилу считывания информации: с произвольным считыванием и записью и с последовательным считыванием и записью.

4. по особенностям записи и хранения информации во времени: оперативное ЗУ (ОЗУ), запись и считывание в котором производится многократно, постоянное ЗУ (ПЗУ), запись информации в котором осуществляется при изготовлении, перепрограммируемое ПЗУ (ППЗУ), в котором имеется возможность перепрограммирования самим потребителем.

Параметры и характеристики. Свойства ЗУ описываются следующими основными параметрами и характеристиками:

- объемом памяти (информационная емкость) – сколько двоичных единиц (бит) может быть записано;

-количеством разрядов, записываемых в памяти;

- способом доступа к информации – произвольная или последовательная выборка;

-временем выборки – общие затраты времени на выборку числа из ЗУ и на его перезапись, если она требуется (время выборки составляет от 50 нс до 1 мкс при произвольном доступе и от 100мкс до нескольких секунд при последовательном доступе);

-плотностью упаковки (бит/см³ ) – количество информации, приходящееся на единицу объема конструкции;

-удельной потребляемой мощностью – мощность (мВт), расходуемая на 1 бит информации;

-удельной стоимостью – затраты на 1 бит (обычно в копейках);

-энергозависимостью – сохраняемость информации при отключении питания.

7.2. ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ЭЛЕМЕНТАХ ЗАПОМИНАЮЩИХ УСТРОЙСТВ

Сердечники с прямоугольной (ППГ) и непрямоугольной (НПГ) петлями гистерезиса. Долгое время основным средством создания ЗУ являлись тороидальные магнитные сердечники с ППГ для ОЗУ и НПГ для ПЗУ. Определялось это тем, что полупроводниковые приборы, на которых могут быть созданы ЗУ, были сложными и дорогими элементами, магнитные пленки только начинали разви­ваться (к тому же они позволяли реализовывать ЗУ только с по­следовательной выборкой), а ПЗС не были еще известны.

Начнем рассмотрение физических явлений, используемых в элементах ЗУ, с магнитных явлений в материале с ППГ. Извест­но, что некоторые материалы, в первую очередь это относится к ферритам, имеют ППГ, т. е. при напряженности поля, начиная с оп­ределенного ее значения, происходит скачкообразное намагничива­ние сердечника, которое сохраняется и при отключении питания. Таким образом, в сердечнике записывается информация, например символ «1», которая может храниться сколь угодно долго. Для то­го, чтобы перевести сердечник в другое состояние намагничива­ния (с противоположным направлением поля), нужно, чтобы на­пряженность поля приобрела противоположный знак и определен­ное значение.

Кривая, показывающая изменение состояния намагничивания при ППГ, показана на рис. 7.1,а. При изменении намагничивания сердечника записывается другой информационный символ «0», который также хранится сколь угодно долго. Запоминающее уст­ройство состоит из большого числа сердечников, в каждом из ко­торых может быть записан 1 бит информации.

Трудности в создании элементов ЗУ такого типа состоят в вы­полнении обмоток, с помощью которых происходят запись инфор­мации (намагничивание сердечника) и ее считывание, т. е. выяв­ление того, какое намагничивание имеет сердечник. Эта операция должна иметь чёткую адресацию, запись информации должна вестись не в какой угодно, а в определенный сердечник, считывание, т.е.

выявление состояния сердечника, должно происходить из оп­ределенного сердечника в общей их совокупности.

Рис. 7.1

Магнитные пленки и диски. Для запоминания информации ис­пользуются магнитные пленки и диски. Подложку покрывают тон­ким слоем магнитного материала и путем намагничивания от­дельных ее участков получают запись дискретной информации (символы): «1» — четко различимое намагничивание элемента по­верхности, «0» — намагничивание, близкое к нулю, или намагни­чивание обратного знака. Аналогично осуществляется запись в магнитных дисках. В соответствии со структурой такого ЗУ за­пись информации обычно производится последовательно, как в обычном магнитофоне, и выборка или считывание записанной ин­формации осуществляется тоже последовательно. Продолжением идей хранения информации в состоянии намагниченности являет­ся использование цилиндрических магнитных доменов (ЦМД). Однако принцип их работы сложен и будет рассмотрен в § 7.4.

Приборы с зарядовой связью. Для хранения информации мо­жет быть использован также эффект накопления электрических зарядов в конденсаторах. Основное ограничение использования электрических зарядов для хранения информации состоит в том, что в отличие от состояния намагниченности, которое может со­храняться длительное время, электрические заряды значительно более подвижны и в результате ничтожных утечек происходит их постепенное «стекание». Однако достижения физики и техноло­гии позволяют в настоящее время значительно ослабить «стека­ние» зарядов и обеспечить их хранение в течение длительного времени.

Наиболее типичным примером элемента с накоплением заряда являются ПЗС. Напомним, что работа ПЗС основана на исполь­зовании МДП - конденсаторов, в которых определенное время мо­гут храниться введенные заряды, и имеется возможность передви­жения зарядов по линейке таких МДП - конденсаторов. Если осу­ществлять запись в линейку ПЗС так, чтобы в некоторые такты вводился заряд, а в другие такты заряд не вводился (например, «1» - вводится заряд, «0» - заряд не вводится), то можно по­следовательно «0» или «1» записать и хранить все то время, в течение которого ещё не происходит рекомбинация заряда с гене­рированными носителями противоположного знака вследствие те­плового движения. Время, в течение которого может храниться двоичная информация в ПЗС, ограничено. При хранении двоич­ной информации можно допустить заметную потерю зарядов, но важно только, чтобы их значение превосходило заданный мини­мальный уровень.

Полупроводниковые элементы ЗУ. Записать информацию мож­но также в устройствах, использующих полупроводниковые при­боры – транзисторы и диоды. На этом принципе можно создавать ПЗУ, ППЗУ и ОЗУ.

Для ОЗУ может быть использован потенциальный элемент ти­па триггера, который, как известно, имеет два устойчивых состояния. В одном состоянии на одном плече триггера, например, ле­вом, будет низкий потенциал, на другом, правом, - высокий. При изменении состояния: на левом плече – высокий потенциал, а на правом - низ­кий. Если построить регистр из цепочки триггеров, установить все триггеры в одно состояние и соединить отводы с триггеров по оп­ределенному правилу, а именно: одни - с левого плеча, другие - с правого, то в зависимости от того, к какому плечу присоединен вывод, будет изменяться записанное в регистре число.

Такой регистр можно использовать по-другому: на счетный вход триггера подавать последовательность символов «0» и «1». С каждым тактом они будут передвигаться по регистру. Число может быть записано в регистр полностью, если количество раз­рядов в числе соответствует количеству триггеров. В такой ре­гистр число может быть введено и параллельным методом, когда подачей внешних сигналов на каждый из триггеров они устанав­ливаются в определенное состояние, в котором отображается чис­ло с соответствующим количеством разрядов.

Триггер содержит как минимум два транзистора и ряд других элементов, поэтому использовать ЗУ в виде регистров при необ­ходимости большого объема памяти можно не всегда. Более значительные возможности в части реализации ЗУ с большим объ­емом памяти дает использование полупроводниковых элементов на другом принципе. Например, можно получить ПЗУ, если соз­дать матрицу из системы взаимно перпендикулярных проводников, которые пересекаются в пространстве, но не контактируют. Если в точках пересечения поставить, например, диоды, то в точках, где они включены, создадутся условия для протекания тока, и на выходном проводнике будет низкое напряжение, что соответствует записи «0». Если в пересечениях диоды не включены, то условий для протекания тока нет. На выходе будет высокий уровень на­пряжения, что соответствует записи «1».

7.3. ЭЛЕМЕНТЫ ЗАПОМИНАЮЩИХ УСТРОЙСТВ НА ФЕРРИТОВЫХ СЕРДЕЧНИКАХ

Принцип действия ОЗУ на ферритовых сердечниках. Ферритовые элементы ЗУ могут быть использованы для создания как ОЗУ, так и ПЗУ. Физические эффекты, лежащие в основе работы этих элементов, разные, и требования к ним существенно разли­чаются. Поэтому рассмотрим эти элементы поочередно, начиная с элементов, применяемых в ОЗУ.

Ферритовый сердечник, изготовленный из специальных марок феррита, имеет петлю гистерезиса, форма которой близка к прямоугольной. Если создать напряженность поля, пропуская им­пульс тока через обмотку записи О_З (рис.7.1,б), намотанную на сердечник, то при достижении напряженности Н_о (рис. 7.1,а) сердечник быстро переходит в состояние насыщения с индукцией В_m.

После окончания действия импульса тока, например, соответствующего записи «0», магнитная индукция несколько уменьшается (в реальном сердечнике до В_r). При повторном таком же импульсе тока, который уже вызывал намагничивание, соответствующее записи «0», состояние сердечника не изменится. При подаче импульса тока противоположного знака, соответствующего записи «1», произойдет перемагничивание сердечника. Если на сердечнике помимо обмотки, которая вызывает его перемагничивание, поместить другую самостоятельную обмотку считывания Осч (рис.7.1,б), то в моменты перемагничивания из-за быстрого изменения поля в ней будет наводиться напряжение. Если в сердечнике была записана «1», то при подаче тока в обмотку Оз, соответствующего записи «0», н обмотке Осч появится напряжение (записана 212 и наблюдается перемагничивание). Если был записан «0», то при подаче тока в обмотку Оз, соответствующего записи «0», на обмотке Осч напряжения не будет (записан «0» и перемагничивание не наблюдается).

На практике для упрощения технологии изготовления обмотки не наматываются на сердечники. Их пронизывают («прошивают») проводами, как показано на рис.7.2. Запоминающее устройство обычно состоит из большого числа сердечников и может находиться в трех состояниях: записи, хранения и считывания. Поскольку сердечников много, то требуется решить задачу адресации как при записи, так и при считывании [43].

Рассмотрим теперь, как реально происходит в ЗУ, состоящем из многих сердечников, запись информации в сердечник, выбранный по адресу. На рис.7.3 показана система горизонтальных и вертикальных проводов, составляющих совместно секцию или плату. Назовем горизонтальные провода «строками», а вертикальные – «колонками». Для примера рассмотрим случай, когда строк восемь и колонок четыре. В каждом пересечении строк и колонок устанавливается сердечник. На рис.7.3 для упрощения рисунка изображен только один сердечник. Сочетание горизонтальных и вертикальных проводов необходимо для адресации при записи и считывании. Горизонтальные и вертикальные провода, пронизывающие сердечник, играют роль обмоток, и ток, протекающий по проводам, создает магнитное поле, часть которого замыкается по сердечнику.

Предположим, что перед записью сердечник не был намагничен или в нем было создано поле, соответствующее записи «0». Если теперь на горизонтальный провод (строку), например пятый, подать импульс тока, недостаточный для намагничивания или перемагничивания сердечника («полуток»), знак которого соответствует записи «1», то изменения состояния сердечника не наступит. Если одновременно подать аналогичный импульс тока («полуток») на вертикальный провод, например второй, то можно так подобрать значения этих токов, чтобы напряженность поля была достаточна для намагничивания или перемагничивания сердечника. При этом будет записана «1». Если подать на ту же строку и колонку два полутока достаточной интенсивности, но такого знака, который соответствует записи «0», то в этом случае, если сердечник не был намагничен, он перейдет в состояние «0», а если был намагничен так, как это соответствует записи «0», то состояние его не изменится.

С учетом того, что считывание переводит сердечник в состояние, соответствующее записи «0», реально при записи «0» токи в строки и колонки могут не подаваться. Условимся считать, что если в проводах возбуждается ток положительного знака, то записывается информация в виде «1», если отрицательного, то записывается «0». Отметим, что на других пересечениях проводах также должны находиться сердечники, но ни один из них не перемагничивается и не намагничивается, так как только в одном из проводов будет протекать полуток [43].

Очевидно, что в таком устройстве может быть записано столько двоичных единиц, сколько имеется пересечения, каждое из которых содержит сердечник. В нашем примере емкость равна 32 бита или 32 одноразрядных числа. Практически обычно требуется записывать большее количество чисел. После записи чисел они могут храниться сколь угодно долго, при выключении питания состояние сердечников не изменяется.

Организация ЗУ, позволяющая записать большое количество многоразрядных чисел, может быть разной. Наиболее распространенная организация предполагает, что в каждой плате или секции, содержащей пересекающиеся провода, записывается один разряд числа, подлежащий запоминанию. Таких плат или секций должно быть столько, сколько разрядов в числе, которое подлежит записи. При этом в некоторых пересечениях могут быть записаны одинаковые числа, но они имеют разный смысл, так как относятся к разным разрядам, и должны считывается самостоятельно в соответствии с их адресом.

Рассмотрим теперь cчитывание в одном разряде, т.е. в одной секции. Для считывания, как было пояснено раньше, должна быть предусмотрена отдельная обмотка. Реально это не обмотка, а третий провод, пронизывающий сердечник. Нужно, чтобы этот провод пронизывал все сердечники секций, так как при считывании может быть выбран любой сердечник секции. Этот провод показан штриховой линией на рис.7.3. Считывание заключается в следующем: на провода строк и колонок, выбранных так, чтобы считать («0» или «1»), записанное по определенному адресу, т.е. в конкретном сердечнике, подаются полутоки с таким знаком, как при записи «0». Если в данном сердечнике была записана «1», происходит перемагничивание сердечника и в проводе считывания появляется импульс тока. Если же в этом сердечнике был записан «0», т.е. его намагничивание имело другой знак, то подача отрицательных полутоков не изменит состояния сердечника и импульса тока в проводе считывания не будет.

Сердечники первоначально перед записью должны находиться только в состоянии «0» (записи обязательно предшествует считывание; после считывания в сердечниках записаны «0»).

Запись и считывание многоразрядного числа. Для объяснения того, как элементы используются в ЗУ, рассмотрим запись многоразрядного числа. Если производится запись многоразрядного числа, например 4-разрядного, то следует иметь четыре секции. При записи числа на горизонтальный провод (строку), который может быть общим для всех секций и который пронизывает сердечники, где в соответствии с адресом должно быть записано данное число, подается полуток положительного знака, а на соответствующие вертикальные провода (колонки) в каждой секции подается положительный полуток только в том случае, если в данном разряде записывается «1». Тогда при совпадении полутоков происходит перемагничивание сердечника, так как перед записью он находится в состоянии «0». Если в данном разряде по выбранному адресу записывается «0», то полуток в соответствующую колонку не подается, перемагничивание не происходит и сердечник остается в таком состоянии, которое соответствует «0». Таким образом, за один цикл записи записывается одно 4-разрядное число. Например, если число 1001 записывается в ячейку с адресом пятая строка и вторые колонки, то на пятую строку подается полуток, который проходит через сердечники всех секций, а во вторые колонки поступают полутоки: в первую секцию подается положительный полуток; во вторую и третью не подается, в четвертую поступает положительный полуток.

Для того чтобы вызвать записанное число из памяти, т.е. произвести считывание 4-разрядного числа, необходимо подать на пятую строку и на вторые колонки всех четырех секций отрицательные полутоки. Поскольку записано число 1001, то в проводе считывания первой секции появится импульс тока, так как сердечник перемагнитится; во второй и в третьей секциях импульс не появится, поскольку сердечники останутся в том же состоянии; в четвертой секции на выходе появиться импульс тока, что соответствует «1». Вызванное из памяти число 1001 в параллельном коде с выходной шины, состоящей из четырех проводов, через усилители считывания подается в регистр считывания для использования в аппаратуре.

Импульсы полутоков, поступающие на горизонтальные и вертикальные провода строк и колонок, создаются в дешифраторах, на которые поступают кодовые комбинации – адреса. Ниже это будет рассмотрено для полупроводниковых БИС-памяти. Реально ЗУ обычно имеют большее число разрядов, чем в рассматриваемом примере, и больший объем памяти по каждому из разрядов, но принцип построения ЗУ остается.

Требования к элементам ЗУ. Запоминающие устройства на ферритовых сердечниках создают конструкторы. Поэтому, изучив принцип действия элементов ЗУ, отметим, какие вопросы возникают при их конструировании, и рассмотрим, какие требования при этом к ним предъявляются. При создании устройства ЗУ в целом необходимо решить много вопросов: организовать подачу в провода импульсов тока с разными знаками и определенными значениями, определить процедуру выбора сердечников по коду адреса, обеспечить усиление считанных импульсов, организовать управление записью и считыванием и др.

На этих вопросах останавливаться не будем, так как эта задача относится к конструированию и проектированию ЗУ. Нам необходимо определить, какие требования предъявляются к элементам ЗУ, исходя из основных параметров ЗУ, приведенных в §7.1. К ним следует отнести: количество разрядов и записываемых чисел, время обращения к памяти, т.е. время, которое необходимо затратить на полный цикл считывания и регенерацию числа или запись нового (другими словами, быстродействие). Важно также обеспечить работу элементов ЗУ при различных внешних условиях, особенно при изменении температуры, во времени и при наличии механических нагрузок.

При увеличении объема памяти растет число сердечников, так как в ЗУ должно содержаться большое число секций (по числу разрядов) и каждая секция должна иметь много сердечников. Следовательно, увеличиваются габариты, масса и стоимость ЗУ. Увеличение числа сердечников может влиять на устойчивость работы устройства при механических воздействиях, так как на проводах будет нанизано много сердечников, а дополнительные крепления для них обычно не производят. Чтобы обеспечить минимальные габариты и массу, стремятся уменьшить размеры основного элемента конструкции – сердечника. Используются сердечники разных размеров, причем минимальные диаметры составляют 0,18 мм – внутренний и 0,3 мм – наружный. Дальнейшее уменьшение размеров сердечников практически трудно осуществить, так как каждый сердечник должен быть пронизан тремя проводами, диаметры которых составляют примерно 0,05 мм. При минимальных размерах внутреннего и внешнего диаметров толщина сердечника может составлять примерно 0,06 мм. Дальнейшее уменьшение толщины может привести к резкому уменьшению механической прочности сердечника, к появлению трещин, которые нарушают работу ЗУ.

Увеличение объема памяти не только влияет на массогабаритные параметры устройства, но снижает быстродействие и уменьшает надежность, так как в ЗУ увеличиваются внутренние помехи, которые приводят к искажениям.

Для записи и считывания нельзя подать малые по длительности импульсы полутоков, так как длительность полутоков и время между импульсами ограничены сложными процессами намагничивания сердечника. Действительно, если рассматривать идеализированный случай, когда имеется проводник с током, перпендикулярный плоскости сердечника, то МДС, возникающая в разных точках сечения сердечника, будет зависеть от удаления этих точек от его центра:

H = I / 2πx

где Н – напряженность магнитного поля; I – ток; x – координата сечения сердечников (рис. 7.4).

Так внутренний d и внешний D диаметры сердечника заметно различаются, то магнитное поле достигает значения, достаточного для намагничивания всего сердечника при разных токах. Реально ток возрастает постепенно и намагничивание сердечника по слоям с разным удалением от центра сердечника тоже происходит постепенно.

Аналогично происходит и перемагничивание. Если бы ток мгновенно изменился в проводе, то в динамическом режиме работы сердечника эффект постепенного намагничивания по слоям не был бы значительным. Но ток нарастает медленно, так как чем больше объем памяти, тем больше сердечников, нанизанных на провода строк и колонок, и тем большую индуктивность имеет провод. Следовательно, при прочих равных условиях медленнее нарастает и спадает ток. Поэтому длительность импульса тока при записи должна быть согласована с динамическими процессами намагничивания сердечника и протеканием тока по цепи с индуктивностью. Быстродействие элементов ЗУ данного типа достигло уровня, который вряд ли существенно может повыситься [43].

Ограничения присущи и циклу считывания. Импульсы, получаемые в результате считывания, имеют растянутую длительность (рис. 7.5), так как происходят процессы замедленного нарастания тока в цепи с индуктивностью и постепенного перемагничивания по слоям.

Объем памяти существенно ограничен возникновением внутренних помех. Действительно, провод считывания, как было показано ранее, пронизывает все сердечники секции, в нем возникает один полезный импульс тока, если записана “1”, и в одном сердечнике, избранном по адресу, происходит перемагничивание. Вместе с тем, некоторое изменение состояния намагничивания имеет место и в других сердечниках, нанизанных на провода колонки и строки. Полутоки вызывают частичное изменение намагничивания из-за конечного значения коэффициента прямоугольности, так как отношение B_r / B_m < 1. В процессе считывания из-за частичного изменения намагничивания будет наводиться напряжение от магнитных сердечников, намного меньшее, чем от перемагничивающегося сердечника. Частичное изменение намагниченности наблюдается у многих сердечников, количество их тем больше, чем больше объем памяти. Эти напряжения, складываясь в проводе считывания, создают внутреннюю помеху. Для уменьшения ее действия нужно увеличивать коэффициент B_r / B_m ; он должен составлять не менее 0,9 . . . 0,95. Существуют различные способы ослабления влияния этих помех с использованием стробирования и специальной последовательности прошивки сердечников проводом считывания [43].

Элементы ПЗУ на ферритовых сердечниках. Рассмотренные выше элементы ЗУ на ферритовых сердечниках с ППГ могут быть использованы не только в ОЗУ, но и в ПЗУ, так как намагниченность сердечника может сохраняться сколь угодно долго и не изменяться при отключении питания. Однако лучше, исходя из требований по массе, габаритам и стоимости, в ПЗУ использовать элементы ЗУ на магнитных сердечниках с непрямоугольной петлей гистерезиса. Более того, желательно, чтобы эта петля, как бут показано ниже, была выражена наиболее слабо.

На рис 7.6 иллюстрируется принцип действия ПЗУ при четырех разрядах. На нем изображена линейка сердечников и обозначено: 1, 2, 3, 4 – обмотки и провода считывания (Пр. сч) 1-, 2-, 3-, и 4-го разрядов; с1, с2, с3, с4 – сердечники; Пр. зап – провод запроса, для примера прошивающий сердечники с2 и с3 и проходящий мимо сердечников с1 и с4. Н – напряженность магнитного поля, возбуждаемое током I_зап , протекающим по проводу запроса. В соответствии с рис. 7.6 записано четырехразрядное число 0110. Это значит, что при запросе, поступающем на провод запроса (Пр. зап), на выходе Пр. сч1 не должно быть сигнала, на Пр. сч2 и Пр. сч3 должна появится “1” и на Пр сч4 сигнал должен отсутствовать (“0”). Достигается это тем, что сердечники особым образом прошиты проводом (Пр. зап), по которому проходит импульс запроса. Если провести этот провод через отверстия всех сердечников, то на проводах считывания во всех разрядах появится импульс тока. Для работы такого элемента ЗУ не требуется ППГ, при которой в сердечнике может сохраняться намагниченность. Для того чтобы работа проходила нормально, намагничивание и размагничивание в сердечнике должны происходить без существенных остаточных явлений. Поэтому в ПЗУ применяются сердечники из специальных сортов феррита.

Рассмотрим, как на основе таких элементов можно создать ЗУ большой емкости. Для этого используют много линеек сердечников, пронизанных проводами, каждая из которых содержит число сердечников, соответствующее разрядности записанного числа. Чтобы увеличить количество записываемых чисел, можно в каждой линейке сердечники пронизать большим числом проводов запроса, каждый из которых будет в своей комбинации обходить или пронизывать сердечники. В некоторых случаях это количество проводов можно доходить до 200 … 300, причем размеры сердечников должны быть много больше, чем сердечников с ППГ. Они имеют обычно наружный диаметр до 10 мм. Прошивка линейки большим числом проводов нежелательна, поскольку приходится увеличивать размеры сердечника, что приводит при случайном расположении проводов по сечению сердечника к значительным колебаниям уровня считываемого сигнала. В некоторых случаях требуется создание ПЗУ на ферритовых сердечниках на большее число разрядов и слов. Тогда надо использовать несколько линеек и структура ЗУ будет иметь вид, приведенный на рис 7.7, где с1, с2, с3, с_n – сердечники (n сердечников).

Код адреса поступает на ЗУ и должен указывать ту линейку и тот провод в линейке, для которого нужно считать записанное число. Для этого от регистра адреса (РГА) импульс тока поступает на дешифратор ДШ линейки (k линеек) и затем на дешифратор строки (s строк). В результате действия дешифратора сигнал запроса подается только на один провод из всей системы. На выходах проводов считывания Пр. сч1, Пр. сч2, количество которых равно количеству разрядов записанного числа, появятся сигналы при записи “1” или отсутствуют сигналы при записи “0”. Детекторы Д необходимы для того, чтобы обеспечивалось малое сопротивление прохождению считанного импульса с той линейки, в которой записано требуемое число, и имелось бы большое сопротивление для тока обратного направления. Это препятствует воздействию считанного импульса на другие линейки. Запись в такое устройство должна производиться при изготовлении ПЗУ. Всякая смена записи информации требует размонтажа ПЗУ и прошивания сердечников в другой последовательности. Это ограничивает применение ПЗУ на ферритовых сердечниках, хотя по удельным характеристикам (стоимости хранения одного бита, массе и габаритам на 1 бит) они несколько лучше, чем ОЗУ на ферритовых сердечниках. В настоящее время такие ПЗУ и ОЗУ применяются все меньше, но они имеют принципиальное преимущество перед другими ЗУ – устойчивы к действию радиации.

7.4 ЭЛЕМЕНТЫ ЗАПОМИНАЮЩИХ УСТРОЙСТВ НА ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ МАГНИТНЫХ ДОМЕНАХ

Физическая сущность цилиндрических магнитных доменов как динамической неоднородности. Цилиндрический магнитный домен (ЦМД) представляет собой локальную область (динамические неоднородности) в магнитной пленке с одноосной анизотропией, вектор намагниченности которых направлен противоположно вектору намагниченности пленки. Эта неоднородность динамическая, так как ее можно создавать, стирать и передвигать. Следовательно, ЗУ на ЦМД является устройством функциональной электроники. На рис. 7.8 1 – пленка; 2 – ЦМД; 3 – магнитное поле рассеяния ЦМД. В современных конструкциях ЦМД формируют в эпитаксиальных феррит-гранатовых пленках, выращенных на поверхности немагнитных гранатовых подложек [42].

Рассмотрим физические процессы, приводящие к появлению динамической неоднородности, т. е. к домену. При отсутствии внешнего подмагничивающего поля – поля смещения – в пленке существуют полосовые домены произвольной формы, разделенные доменными стенками (рис. 7.9,а); суммарные площади противоположно намагниченных доменов равны. Если подложку с феррит-гранатовой эпитаксиальной пленкой поместить во внешнее магнитное поле смещения , направленное перпендикулярно ее поверхности, то доменные стенки смещаются. Полосовые домены, у которых вектор их намагниченности совпадает с направлением поля смещения, расширяются за счет сужения доменов с противоположной намагниченностью (рис. 7.9,б). Дальнейшее увеличение приводит к разрыву полосовых доменов и образованию доменов цилиндрической формы (рис. 7.9,в). Обозначим это поле - граничная напряженность поля. При дальнейшем росте диаметр ЦМД уменьшается. При некотором значении ( – критическая напряженность поля) происходит исчезновение доменов, и пленка становится однородно намагниченной вдоль направления (рис. 7.9,г). В диапазоне магнитных полей от до диаметры ЦМД изменяются от до . Рабочее поле смещения ограничено: . Создается оно постоянными магнитами. Диаметр ЦМД 2,5 … 10 мкм. Ширина доменной стенки примерно 0,1 мкм.

Интересно и важно то, что ЦМД обладает устойчивостью, если магнитное поле находится в определенных пределах. Он может сохраняться сколько угодно долго при и может быть полностью стерт при превышении полем определенного значения, равного . Тогда магнитная пленка становится свободной от доменов. Важно также то, что практически исключено самопроизвольное возникновение доменов. Если повышением магнитного поля стереть все домены и вновь вернуть поле в рабочее состояние , домены возникнуть не могут. Для создания домена требуется локальное возбуждение сильного магнитного поля [42].

Использование доменов для ЗУ целесообразно потому, что они занимают очень мало места и устойчивы. Следовательно, потенциально их можно использовать для накопления информации в ЗУ, имеющем вид магнитной пленки, если создать организованную структуру доменов. При этом наличие домена в той или иной точке подложки можно трактовать как запись «1», а отсутствие домена – как запись «0». Однако эта потенциальная возможность накопления информации для своей реализации требует решения многих сложных задач.

Действительно, хаотическое расположение доменов, которое создается, если пленку ввести в магнитное поле при , пока еще таких возможностей не дает. Но домены, хаотически рассеянные по пленке, могут быть уничтожены. Тогда пленка становится свободной для записи информации. Чтобы эту потенциальную возможность реализовать, необходимо: изготовить пленку, обладающую свойствами, позволяющими создавать доменную структуру; сделать возможным освобождение пленки от случайных доменов и затем подготовить ее к записи полезной информации; создать домены, обеспечив такое их расположение, когда каждой записываемой «1» соответствует специально сформированный домен, а каждому «0» – область пленки без доменов; осуществить организованное перемещение доменов по пленке по определенным траекториям, фиксацию их в определенном положении, обеспечив отсутствие взаимного наложения и взаимодействия; обеспечить извлечение записанной информации или считывание информации, т. е. получить возможность преобразования домена в электрический сигнал, который затем может быть использован в вычислительном устройстве.

Решение этих вопросов связано с физическими, технологическими и конструктивными трудностями. Однако оно представляет интерес, так как потенциально малые размеры доменов, возможность их независимого существования при расстояниях между центрами доменов, равных примерно трем диаметрам доменов, возможность создания подложек со сторонами порядка 10×10мм из материалов, в которых формируются домены, позволяют уже в настоящее время на одной пленке хранить до бит информации. Полезно начать рассмотрение этих вопросов с фиксации положения и организации перемещения ЦМД, так как, не решив эти задачи, нельзя переходить к другим.

Фиксация положения и организация перемещения ЦМД. Предположим, что домен создан, и рассмотрим вопрос о том, как он может быть зафиксирован и как организовать его перемещение.

Из изложенного видно, что «уничтожить» домен сложно. Это можно сделать только созданием сильного поля смещения, противоположного полю домена. Также трудно создать домен. Таким образом, домен – очень устойчивая структура, но осуществить его перемещение оказалось просто. Для этого достаточно в пленке, где находится сформированный домен, создать местную неравномерность в магнитном поле смещения. В этом случае домен не разрушаясь, стремится переместиться в направлении минимальной интенсивности поля смещения. Он займет такое положение, при котором его энергия минимальна. Образно говоря, домен как бы сползает в магнитную «яму». Следовательно, чтобы фиксировать положение домена, обеспечить его перемещение к фиксированному положению, нужно получить на этом участке местное магнитное поле, противоположное полю смещения , т. е. сформировать местную неравномерность поля, обязательно такую, чтобы она затронула домен. Наибольшее распространение получили магнитостатические ловушки (МСЛ), формируемые на поверхности пленки с использованием тонких проводниковых или магнитных пленок. Принято называть эти пленки аппликациями.

Токовая аппликация имеет вид петли с размером, соизмеримым с доменом. При пропускании по аппликации тока, направленного так, что создаваемое поле противоположно полю в пленке, содержащей домен образуется область с меньшей напряженностью поля, чем , но большей, чем . Иначе домен, «спустившись» в МСЛ будет переходить в полосовой. Этот процесс проиллюстрирован на рис. 7.10, где 1-6 – токовые аппликации, в которые поступает управляющий ток в разные моменты времени; 7 – домен. Домен, находящийся под второй аппликацией, куда он перешел от первой аппликации, при подаче напряжения на третью аппликацию перейдет под нее. Аппликации могут составить линейку по которой одновременно может продвигаться много доменов. Во избежание взаимодействия доменов они должны бить разделены аппликациями. Трехтактность требуется для того, чтобы домен не мог получить возвратного движения как в случае ПЗС. При необходимости осуществления обратного движения доменов, меняется последовательность подачи импульсов управляющего тока на аппликации.

Использование токовой аппликации требует напыления на поверхности пленки большого количества проводников, которыми оказывается занята значительная часть площади пленки. Поэтому большее распространение получило использование магнитных аппликаций. На этом методе фиксации положения и организации перемещения доменов остановимся подробнее.

Рассмотрим пока один домен и предположим, что на поверхности пленки, нанесена аппликация из тонкого слоя пермаллоя. Предположим, что домен находится в центре аппликации (рис. 7.11) – положение 1. Для того чтобы использовать аппликацию для создания МСЛ, по обмоткам электромагнитов пропускают ток, который создает магнитное поле , направленное вдоль поверхности пленки. Это поле перпендикулярно полю . Существенных изменений в режим домена и пленки, где он сформирован, поле не вносит. Но так как поле расположено в плоскости легкого намагничивания аппликации то она намагничивается. При этом формируется внешнее поле аппликации, которое условно показано знаками +++. Частично поле замыкается через воздух, а частично силовые линии поля аппликации, проникая внутрь пленки, замыкаются там. Это поле, на одном конце аппликации противоположно , а на другом совпадает. Магнитное поле аппликации показано на рис. 7.12. Очевидно, что под влиянием неравномерного магнитного поля домен сместится к одному краю аппликации, где ее поле будет направлено против поля и займет положение 2 (рис. 7.11). Сказанное иллюстрирует принцип взаимодействия домена с одной аппликацией [42].

Как подчеркивалось выше, необходимо обеспечить движение многих доменов по линейке, длина которой значительно больше, чем размеры доменов с тем, чтобы они могли продвигаться на расстояние, превышающее их диаметр в тысячи раз. Для этого должна быть создана система аппликаций, образующих линейки на поверхности пленки. Существует много различных форм и видов аппликаций. Для пояснения сущности их действия остановимся только на одном варианте аппликаций, который изображен на рис. 7.13. Для того чтобы обеспечить перемещение доменов по линейке аппликаций, необходимо вращать внешнее магнитное поле Н_Y так, как показано на рис. 7.13. Такого вращения можно добиться подачей токов, сдвинутых по фазе на 90⁰, на две управляющие катушки. Известно, что при этом создается вращающееся магнитное поле с периодом вращения, равным периоду тока. В верхней части рис. 7.13 показаны линейка и начальные положения двух доменов – ЦМД1 и ЦМД2.

Исходя из принципа действия аппликации, рассмотренного выше, очевидно, что при повороте магнитного поля на 90⁰, как это показано на второй строке рис. 7.13, домены подходят под правые концы Т-образных аппликаций. При очередном повороте поля на 90⁰ домены будут захвачены простыми аппликациями. При следующем повороте они будут приняты следующими Т-образными аппликациями и при возврате поля в начальное положение займут устойчивое положение под следующими Т-образными аппликациями. Осуществляя многократное вращение поля, можно продвигать домен от одной секции (сочетание Т-образной и простой аппликаций) линейки к другой на всю длину пленки. При этом большое значение имеет частота тока, создающего вращающиеся поля для продвижения доменов. Чем она выше, тем быстрее продвигается домен. Однако частота должна быть такой, чтобы он успевал перемещаться. Это зависит также и от интенсивности поля. Но интенсивность поля не может быть больше определенной величины, так как иначе домен станет неустойчивым. Частота ограничена тем, что домен затрачивает время на передвижение, причем путь, проходимый им, зависит от его размера, а размеры устойчивых доменов не могут быть меньше нескольких микрометров. Поэтому время, затраченное не перемещение из одной секции в другую, оказывается заметным, и частота вращения поля составляет примерно 0,5 МГц [66].

Рис. 7.13

Процесс продвижения доменов должен иметь место, как при записи информации, так и при считывании. При записи, когда сообщение формирует домен (каждая «1» - один домен), он должен, продвигаясь по линейке, освобождать место для следующего домена. Если должен быть записан «0», то очередной домен не формируется, и условно можно говорить, что по линейке продвигается «отсутствие» домена. Такая процедура должна быть и при считывании, когда домены, продвигаясь поочередно, достигают детектора. Если был записан «0», т. е не было домена в очередном такте, то детектор не вырабатывает сигнала. Если была записана «1», то сигнал на выходе будет.

Зарождение доменов. Локальное зарождение ЦМД производиться под воздействием импульсов тока I_r, пропускаемых по токовой аппликации в виде петли из металлической пленки (рис. 7.14). На рис. 7.14: 1 – токовая аппликация; 2 – изолирующая пленка; 3 – ферритовая эпитаксиальная пленка; 4 – гранатовая подложка; 5 – ЦМД. Генерация ЦМД происходит в том случае, если импульсом тока будет создано локальное размагничивающее поле Н_разм, значительно большее по модулю, чем Н_см.раб, но имеющее знак, обратный этому полю. При этом область под аппликацией в пленке перемагничивается и образуется ЦМД с противоположной по отношения к Н_см.раб намагниченностью. Предполагается, что в области аппликации, используемой для зарождения доменов, предварительно домены стерты повышением Н_см.раб до уровня, несколько большего чем Н_кр. Это необходимо для того, чтобы в пленке действовали только специально созданные домены. Если домен зародился, то записана «1», если не зародился, то «0».

Чаще зарождение домена, несущего информацию, достигается делением зародышевого домена. При этом предполагается, что предварительно все домены стерты, кроме одного, на основе которого генерируется информационный. Существует много методов генерирования доменов путем деления зародышевого. Рассмотрим один из них. На рис. 7.15, а изображены: 1 – токовая аппликация, по которой протекает ток удержания I_уд, создающий МСЛ, в которой находится зародышевый домен ЦМД_зар; 2 – расщепляющая аппликация, по которой протекает ток зарождения I_r и которая изолирована от аппликации токовой; 3, 4, 5 – магнитные аппликации, используемые для продвижения генерируемого домена ЦМД.

На рис. 7.15, б показан момент, когда по аппликации расщепления подан импульс тока. Импульс вызывает расщепление домена. Направление тока должно быть такое, чтобы магнитное поле этой аппликации складывалось с рабочим полем смещения. Домен делится на два, и ЦМД, генерированный в соответствии со знаком управляющего поля, продвигается под левый выступ Т-образной аппликации. На рис. 7.15, в, г показано последовательное продвижение генерированного домена по линейке магнитных аппликаций. Изображения на рис. 7.15, б-д соответствуют первому – четвертому тактам. В четвертом также может зародиться новый домен, если подряд записываются «1» (при этом I_r>0), или не зародиться, если нужно записать «0» (при этом I_r=0). На рис. 7.15, д показан случай, когда записывается «0».

Таким образом, поступающая для записи последовательность «1» и «0» с помощью импульсов тока I_r создает новый домен, когда записывается «1» или не создает домен, когда записывается «0». Совокупность «1» и «0» постепенно продвигается по линейке.

Считывание информации, записанной в доменной структуре. После того, как информация записана в накопитель на ЦМД, она может там храниться столь угодно долго, если сохраняется Н_см.раб, что обычно не представляет трудностей, так как создается это поле постоянным магнитом.

Для считывания информации, т. е. для выявления доменов, расположенных вдоль линейки, необходимо начать их продвижение тем же методом, что и при записи. Затем домены следует подвести последовательно к детектору, который должен определить, что в данном такте записано: «1» (есть домен) или «0» (нет домена). Существует много способов считывания. Используют эффект индукции, магниторезистивный эффект Холла и магнитооптический эффект Фарадея. Наиболее широкое применение нашли магниторезистивные детекторы. Работа детекторов (датчиков) основана на том, что под воздействием внешнего магнитного поля, которое присуще каждому домену, изменяется удельное сопротивление ρ магнитной резистивной пленки (аппликации), если домен подводится под нее.

Известно, что у некоторых магнитных материалов сопротивление зависит от напряженности магнитного поля, причем особенно сильно магнитное поле изменяет сопротивление тогда, когда магнитные силовые линии направлены перпендикулярно протеканию тока. Этот эффект используется в магниторезистивных детекторах, в которых осуществляется считывание информации, записанной в ЗУ на основе ЦМД. Принцип действия такого детектора показан на рис. 7.16, где: 1 – пермаллоевая пленка детектора шириной d; 2 – проводники, соединяющие пермаллоевую пленку с цепью считывания; 3 – ЦМД, показанный в том положении, когда он наиболее существенно меняет сопротивление детектора; 4 – магнитные силовые линии поля Н_см, создаваемого постоянным магнитом 5; 6 – магнитные силовые линии домена; 7 – феррит-гранатовая пленка, в которой находятся домены; 8 – подложка. Из рис. 7.16 видно, что благодаря высокой магнитной…….

… последовательно заносятся в РГ_вв, а затем с помощью переключателя обмена ПО переносятся в РГ_хр. При считывании, наоборот, информация из РГ_хр переносится в РГ_в=ви последовательно считывается в детекторе Дбез дублирования или с дублированием при необходимости сохранения информации. Недостатком данной организации ЗУ на ЦМД (рис. 7.17,а) является достаточно большое время циклов записи и считывания. Для повышения быстродействия таких ЗУ применяют раздельные регистры ввода РГ_вхи вывода РГ_хр информации. В ЗУ на ЦМД с помощью переключателя-репликатора ПРинформацию считывают без разрушения [42] (рис. 7.17,б).

Конструкция ЗУ на ЦМД.Устройство такого ЗУ видно из рис. 7.18, где 1 — ЦМД (примерно 1,2·10³ нм); 2 — немагнитная гранатовая подложка (примерно 1,5·10³ нм); 3 — магнитная пленка (примерно 1,5·10³ нм); 4 — слой двуокиси кремния (примерно 50 нм); 5 — токовые шины (Al, Cu, примерно 250 нм); 6 — пермаллоевые аппликации (Ni, Fe, примерно 420 нм); 7 — защитный слой нитрида кремния. Конструкция микросборки ЗУ на ЦМД представлена на рис. 7.19, где 1 — магнитное основание; 2 — магнитная плата; 3 — экран; 4, 5 — ортогональные катушки для создания вращающегося магнитного поля; 6, 7 — постоянные магниты; 8 — корпус; 9 — магнитный экран; 10 — прокладка. Конструкция модуля ЗУ на ЦМД емкостью 10⁸ битов показана на рис. 7.20, где 1 — печатная монтажная плата; 2 — верхний пермаллоевый экран; 3 — плата с пленками; 4 — постоянный магнит; 5 — промежуточный пермаллоевый экран; 6 — соединитель и нижнее пермаллоевое основание. Конструкция платы ЗУ на ЦМД, рассчитанной на 16 кристаллов емкостью 10⁵ битов каждый, приведена на рис. 7.21, где: 1 — предусилитель; 2 — контактная площадка; 3 — кристалл; 4 и 5 — управляющие катушки.

Рис. 7.18

Перспективы развития элементов памяти на ЦМД.Большая плотность записи информации и относительно быстрое считывание делают ЗУ на ЦМД перспективными для использования в цифровых устройствах. Поскольку устройства на ЦМД только начали развиваться, следует ожидать большого прогресса в их параметрах. Можно выделить несколько направлений развития ЗУ на ЦМД.

1. Совершенствование структуры системы аппликаций, обеспечивающей зарождение, продвижение, расщепление и уничтожение доменов. Поскольку эти аппликации наносятся методами технологии микроэлектроники, то без усложнения технологического процесса можно осуществлять напыление токовых и магнитных аппликаций самой различной формы. Изложенный выше пример можно отнести к простейшей токовой и магнитной аппликациям. В настоящее время уже имеется много других структур аппликаций.

2. Значительное увеличение плотности размещения доменов на пленке. Можно достичь такой плотности, когда домены почти примыкают друг к другу, при этом для записи «0» и «1» можно использовать домены с различной намагниченностью.

3. Переход от внешних достаточно громоздких взаимоперпендикулярных катушек, создающих магнитное поле, к токовым контурам, напыленным непосредственно на пленках ЦМД.

Основные трудности широкого применения ЗУ на ЦМД связаны с технологией изготовления подложек и магнитных пленок. Перечень параметров ЗУ на ЦМД дан в таблице 7.1 [45,46].

Табл.7.1

Параметр	Современное состояние	Ближайшая перспектива	Перспектива в будущем
Диаметр доменов, мкм	4…6	2…1
Информационная емкость отдельных плат, бит	106	107	107
Информационная емкость системы памяти, состоящей из многих плат, бит	107	109	1010
Быстродействие, МГц	0,1…0,5	0,5…0,3	1…5
Удельная стоимость (д. е. – денежные единицы) на уровне системы, д.е./бит	0,3	0,04	0,03…0,01

7.4 ЭЛЕМЕНТЫ ЗАПОМИНАЮЩИХ УСТРОЙСТВ НА ПРИБОРАХ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ

Принцип действия ЗУ на ПЗС.Если сложные системы ОЗУ (полупроводниковые), которые приспособлены к хранению большого количества, использовать нецелесообразно, находят применение ЗУ динамического типа с более простой организацией и меньшим объемом памяти. Наиболее характерным представителем таких элементов ЗУ являются приборы с зарядовой связью.

Принцип действия ПЗС был представлен в главе 6. Очевидно, что любая линейка ПЗС может быть использована как ЗУ на то количество бит, сколько ячеек она содержит. При применении ПЗС в качестве ЗУ возникают те же проблемы, с которыми сталкиваются при их использовании для фильтрации, но в несколько другой форме. Ограниченное время существования информационного заряда в данном случае приводит к тому, что время хранения информации в памяти оказывается также ограниченным. Однако при использовании ПЗС как элемента ЗУ допустимая потеря заряда может быть значительно больше, чем в фильтрах, так как ЗУ предусматривает запись двоичной информации, т.е. «1» - заряд есть, «0» - заряда в соответствующей ячейке нет. Для того чтобы сохранить информацию на более длительное время, приходится осуществлять ее регенерацию, т. е. периодически выводить информацию из ПЗС, ….

…..экономически оправдан только при больших объемах производства. Примерами таких БИС могут служить микросхемы для электронных часов, карманных микрокалькуляторов и других изделий. Микропроцессоры представляют собой цифровые БИС, выполняющие законченный процесс обработки информации и предназначенные для построения – широкого набора различного назначения. Сюда относятся специализированные и универсальные микроЭВМ, устройства автоматического управления и др. Использование последних достижений современной микропроцес­сорной технологии позволяет создавать на одном кристалле про­цессора также устройства оперативной и постоянной памяти. Такие БИС получили название однокристальных микроЭВМ.­ Матричные БИС содержат на кристалле прямоугольную матри­цу, состоящую из нескольких сотен или тысяч логических элемен­тов. Созданием определенного рисунка металлических соедине­ний из этих элементов получаются специализированные БИС для конкретных цифровых устройств. Используя одну из таких матриц и изменяя рисунок соединений, можно реализовать боль­шой набор цифровых БИС различного назначения. Отдельный класс цифровых БИС составляют БИС запоминающих устройств.