Феррит-транзисторная ячейка

Феррит-транзисторная ячейка (ФТЯ) — это базовый элемент памяти на магнитных сердечниках, выполненный на основе ферритового кольца (сердечника) и одного или нескольких транзисторов, предназначенный для хранения одного бита информации. ФТЯ представляет собой разновидность запоминающего устройства с произвольным доступом (ЗУПВ), в котором магнитное состояние сердечника используется для хранения данных, а транзистор — для усиления сигнала и управления записью/считыванием. Данная технология была широко распространена в 1950–1970-х годах, преимущественно в вычислительной технике и системах управления, до вытеснения полупроводниковыми микросхемами памяти.

История

Предпосылки создания

До появления феррит-транзисторных ячеек в ранних вычислительных машинах использовались релейные, ламповые и ртутные линии задержки, а также электронно-лучевые трубки (например, трубка Уильямса). Эти устройства обладали рядом недостатков: низкой надёжностью, большим энергопотреблением, малым быстродействием и сложностью производства. В 1949 году американский инженер Джей Форрестер из Массачусетского технологического института (MIT) предложил использовать ферритовые сердечники для хранения данных. В 1951 году он разработал первую матрицу памяти на ферритовых кольцах — так называемую «память на магнитных сердечниках» (core memory). Однако для считывания информации требовалось разрушать магнитное состояние сердечника, что приводило к потере данных. Для решения этой проблемы потребовалось введение усилительных элементов.

Разработка и внедрение

В 1953 году компания IBM (International Business Machines Corporation) представила коммерческую систему памяти на ферритовых сердечниках для компьютера IBM 701. В этой системе использовались ферритовые кольца, но для считывания и восстановления данных применялись ламповые усилители. С развитием полупроводниковой технологии в середине 1950-х годов лампы стали заменяться транзисторами. Первые феррит-транзисторные ячейки были разработаны в 1956–1957 годах в лабораториях Bell Labs и MIT. В СССР аналогичные разработки велись в Институте точной механики и вычислительной техники (ИТМиВТ) под руководством С. А. Лебедева, а также в НИИ «Дельта» (Москва). К 1960-м годам ФТЯ стали стандартным элементом памяти для большинства ЭВМ второго поколения (на транзисторах), таких как советские машины «М-20», «БЭСМ-4», «Минск-22», а также американские IBM 7090, CDC 6600.

Упадок технологии

С конца 1960-х годов начали активно развиваться полупроводниковые интегральные схемы памяти — статические (SRAM) и динамические (DRAM) запоминающие устройства. Они обладали значительно меньшими габаритами, более высоким быстродействием и меньшей стоимостью производства. К середине 1970-х годов феррит-транзисторные ячейки были практически полностью вытеснены из массовой вычислительной техники, однако они продолжали использоваться в специализированных системах (например, в военной и космической аппаратуре) до 1980-х годов из-за высокой радиационной стойкости и нечувствительности к электромагнитным помехам.

Устройство и принцип работы

Конструкция

Феррит-транзисторная ячейка состоит из следующих основных компонентов:

• Ферритовый сердечник — кольцо из ферромагнитного материала (обычно марганец-цинковый или никель-цинковый феррит) с прямоугольной петлёй гистерезиса. Диаметр кольца составлял от 0,5 до 2 мм.
• Обмотки — два или три изолированных медных провода, намотанных на сердечник: токовая шина записи, токовая шина считывания и, в некоторых конструкциях, шина выборки.
• Транзистор — биполярный или полевой транзистор, выполняющий функции усилителя считываемого сигнала и, в ряде схем, коммутатора тока записи.
• Резисторы и конденсаторы — вспомогательные элементы для задания режимов работы транзистора и фильтрации помех.

Принцип хранения информации

Информация в ФТЯ хранится в виде направления остаточной намагниченности ферритового сердечника. Если сердечник намагничен в одном направлении (например, по часовой стрелке), это соответствует логической «1»; если в противоположном — логическому «0». Для записи информации через обмотку сердечника пропускается импульс тока определённой полярности, который перемагничивает сердечник в нужное состояние. Для считывания через обмотку считывания пропускается ток, который стремится перемагнитить сердечник в состояние «0». Если сердечник был в состоянии «1», изменение магнитного потока индуцирует в обмотке считывания импульс напряжения (ЭДС индукции). Если сердечник был в состоянии «0», изменения потока не происходит, и сигнал отсутствует. Однако при считывании состояние сердечника разрушается (он переходит в «0»), поэтому после каждого считывания необходимо выполнять регенерацию — запись считанного значения обратно.

Роль транзистора

Транзистор в ФТЯ выполняет несколько функций:

1. Усиление сигнала — индуцированный в обмотке считывания импульс напряжения очень мал (обычно единицы милливольт) и не может быть непосредственно воспринят логическими схемами. Транзистор усиливает его до уровня, достаточного для работы цифровых схем (обычно 0,5–5 В).
2. Формирование тока записи — транзистор, работающий в ключевом режиме, обеспечивает протекание через обмотку записи импульса тока заданной амплитуды и длительности.
3. Гальваническая развязка — транзистор предотвращает влияние цепей считывания на цепи записи и наоборот, что повышает помехоустойчивость.

Классификация

Феррит-транзисторные ячейки классифицируются по нескольким признакам:

По количеству транзисторов

• Однотранзисторные — наиболее распространённый тип, где один транзистор используется как для усиления, так и для коммутации. Требует внешних схем для разделения режимов записи и считывания.
• Двухтранзисторные — один транзистор отвечает за усиление сигнала считывания, второй — за формирование тока записи. Обеспечивает более высокое быстродействие и надёжность.
• Многотранзисторные — используются в специализированных системах (например, в радиационно-стойкой памяти), где требуется резервирование.

По способу организации матрицы

• Совмещённые — обмотки записи и считывания объединены в одну шину. Проще в изготовлении, но медленнее.
• Раздельные — используются отдельные шины для записи и считывания. Позволяют выполнять операции параллельно, что увеличивает скорость доступа.

По типу транзистора

• На биполярных транзисторах — обеспечивают высокое быстродействие, но потребляют больше энергии.
• На полевых транзисторах — более экономичны, но медленнее.

Характеристики

Основные параметры феррит-транзисторных ячеек:

• Ёмкость — от 1 бита до нескольких килобит в матрице.
• Время доступа — от 0,5 до 10 микросекунд (в зависимости от конструкции и типа транзистора).
• Энергопотребление — от 10 до 100 мВт на ячейку в активном режиме; в режиме хранения энергия не потребляется.
• Радиационная стойкость — до 10⁶ рад (Si) без сбоев, что значительно выше, чем у полупроводниковой памяти.
• Диапазон рабочих температур — от −60 до +125 °C.
• Срок хранения данных — неограничен (при отсутствии внешних магнитных полей).

Применение

Феррит-транзисторные ячейки использовались в следующих областях:

• Вычислительная техника — в качестве оперативной памяти (ОЗУ) для ЭВМ второго поколения (например, IBM 7090, БЭСМ-4, Урал-11).
• Системы управления — в бортовых компьютерах космических аппаратов (например, в программе «Аполлон» NASA использовалась память на ферритовых сердечниках).
• Военная техника — в системах наведения, радиолокационных станциях и шифровальных машинах, где требовалась высокая надёжность в условиях радиации и вибраций.
• Промышленная автоматика — в программируемых логических контроллерах (ПЛК) 1960–1970-х годов.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Энергонезависимость — данные сохраняются при отключении питания.
• Высокая радиационная стойкость — нечувствительность к гамма-излучению и нейтронному потоку.
• Широкий диапазон рабочих температур.
• Долговечность — отсутствие механического износа.

Недостатки

• Низкая плотность хранения — одна ячейка занимает объём порядка 1–5 см³.
• Высокое энергопотребление при записи/считывании.
• Разрушающее считывание — необходимость регенерации данных после каждого чтения.
• Сложность производства — ручная намотка обмоток на микроскопические сердечники.
• Высокая стоимость — в 1960-х годах 1 килобайт памяти на ФТЯ стоил около 1000 долларов США.

Интересные факты

• В 1969 году на борту космического корабля «Аполлон-11», совершившего первую высадку на Луну, использовалась память на ферритовых сердечниках объёмом 36 килобайт.
• В СССР феррит-транзисторные ячейки применялись в вычислительных машинах серии «Минск» и «Эльбрус» до начала 1980-х годов.
• Технология феррит-транзисторных ячеек легла в основу более поздних разработок — магниторезистивной памяти (MRAM), которая также использует магнитные состояния для хранения данных, но на основе тонкоплёночных структур.

Источники

• Форрестер Дж. «Магнитные запоминающие устройства» — М.: Мир, 1964.
• Лебедев С. А. «Электронные вычислительные машины» — М.: Наука, 1965.
• Справочник по ферритам / Под ред. Н. Н. Шольца — М.: Энергия, 1972.
• IBM Journal of Research and Development, Vol. 5, No. 3, 1961 — «Magnetic Core Memory».
• Трофимов А. В. «Память на магнитных сердечниках в ЭВМ второго поколения» — М.: Радио и связь, 1978.