Ферритовая магнитная память

Ферритовая магнитная память (ФМП, также ферритовое запоминающее устройство, ФЗУ) — это тип запоминающего устройства с произвольным доступом (RAM), в котором для хранения одного бита информации используется сердечник из ферромагнитного материала (феррита). Принцип действия основан на явлении остаточной намагниченности ферритового кольца: направление намагниченности (по часовой стрелке или против) кодирует логический «0» или «1». Ферритовая память является энергонезависимой — данные сохраняются при отключении питания. В 1950–1970-х годах она была основным типом оперативной памяти в компьютерах и оставалась доминирующей технологией до вытеснения полупроводниковой памятью.

История

Предпосылки и изобретение

Первые работы по использованию магнитных свойств материалов для хранения информации относятся к концу XIX века, однако практическое применение стало возможным с развитием ферритовой керамики. В 1949 году американский инженер Джей Форрестер (Jay Forrester) из Массачусетского технологического института (MIT) предложил конструкцию запоминающего устройства на основе ферритовых колец, нанизанных на сетку проводов. В 1951 году он запатентовал «матричное запоминающее устройство». Независимо от него, в 1950 году Ян Раджчман (Jan Rajchman) из компании RCA разработал аналогичную систему, известную как «Selectron». Однако именно конструкция Форрестера стала промышленным стандартом.

Коммерческое внедрение

Первым компьютером, использовавшим ферритовую память, стал Whirlwind I (1953 год, MIT). В 1955 году компания IBM выпустила модель IBM 704, которая стала первым серийным компьютером с ферритовой памятью. В СССР разработка ферритовой памяти началась в середине 1950-х годов под руководством В. В. Бардина и М. А. Карцева. Первым советским компьютером с ФЗУ стала БЭСМ-2 (1958 год), а затем — М-20 (1959 год). В 1960-х годах ферритовая память использовалась в большинстве мейнфреймов и мини-компьютеров, включая серии IBM System/360, DEC PDP-8 и ЭВМ «Урал».

Упадок и наследие

К концу 1970-х годов ферритовая память была вытеснена полупроводниковой статической (SRAM) и динамической (DRAM) памятью, которые были быстрее, компактнее и дешевле. Однако в некоторых специализированных областях (например, в авионике, космической технике и военных системах) ферритовая память применялась вплоть до 1990-х годов из-за высокой радиационной стойкости и энергонезависимости. В настоящее время технология используется в музейных экспонатах и ретро-вычислительной технике. Современные разработки в области магниторезистивной памяти (MRAM) частично наследуют принципы ферритовой памяти.

Устройство и принцип работы

Материалы

Основным элементом является ферритовое кольцо (тороид) диаметром от 0,5 до 2 мм, изготовленное из феррита — керамического материала на основе оксида железа (Fe₂O₃) с добавками оксидов марганца, цинка, никеля или магния. Ферриты обладают прямоугольной петлей гистерезиса, что обеспечивает два устойчивых состояния намагниченности.

Матричная организация

Кольца размещаются в виде прямоугольной матрицы — «магнитного сердечника». Через каждое кольцо проходят три провода:

• X-провод (строка) и Y-провод (столбец) — для выбора адреса;
• Считывающий провод (Sense wire) — для детектирования намагниченности.

Для записи бита на пересечение X и Y подаются импульсы тока, суммарное магнитное поле которых перемагничивает кольцо в нужное направление. Для чтения также подаются импульсы, но с меньшей амплитудой; при перемагничивании кольца в нулевое состояние возникает ЭДС индукции на считывающем проводе.

Цикл работы

1. Чтение: подача импульса, перемагничивающего кольцо в состояние «0». Если кольцо было в состоянии «1», возникает импульс тока на считывающем проводе. После чтения данные разрушаются, поэтому требуется перезапись.
2. Запись: подача комбинации импульсов на X и Y провода для установки нужного направления намагниченности.

Время цикла составляло от 1 до 10 микросекунд (для сравнения: современная DRAM — около 10 наносекунд).

Характеристики

Преимущества

• Энергонезависимость: данные сохраняются при отключении питания.
• Радиационная стойкость: ферритовая память устойчива к ионизирующему излучению, что делало её незаменимой для космических и военных систем.
• Надёжность: срок хранения данных практически неограничен (до 50–100 лет).
• Устойчивость к электромагнитным импульсам.

Недостатки

• Низкая скорость: время доступа — микросекунды, что значительно медленнее полупроводниковой памяти.
• Высокое энергопотребление: каждый цикл чтения/записи требовал значительных токов.
• Большие габариты: для хранения 1 килобайта требовалось около 8 000 ферритовых колец.
• Высокая стоимость производства: ручная сборка матриц была трудоёмкой.
• Разрушающее считывание: после чтения данные необходимо восстанавливать.

Применение

Компьютерная техника

Ферритовая память использовалась в качестве основной оперативной памяти в:

• ЭВМ первого и второго поколений (1950–1970-е годы);
• Мейнфреймах IBM System/360 (1964–1978);
• Мини-компьютерах PDP-8 (1965–1979);
• Советских ЭВМ «Минск», «Урал», «БЭСМ», «Эльбрус» (ранние модели).

Специализированные системы

• Авионика: бортовые компьютеры самолётов (например, F-14 Tomcat) и космических аппаратов (Apollo Guidance Computer).
• Военная техника: системы управления ракетными комплексами, танковые баллистические вычислители.
• Промышленные контроллеры: станки с ЧПУ, системы управления технологическими процессами.

Современные аналоги

Технология ферритовой памяти послужила основой для разработки магниторезистивной памяти (MRAM), которая использует эффект гигантского магнитосопротивления (GMR) и туннельного магнитосопротивления (TMR). Современные MRAM-чипы (например, от компаний Everspin Technologies, Samsung) сочетают энергонезависимость с быстродействием, близким к SRAM.

Интересные факты

• В компьютере Apollo Guidance Computer (AGC), использовавшемся в программе «Аполлон», ферритовая память имела объём всего 36 килобайт (2 048 слов по 15 бит).
• Для намотки проводов на ферритовые кольца в 1950–1960-х годах применялся ручной труд, часто выполняемый женщинами-операторами. Производительность составляла около 100–200 колец в час.
• В СССР выпускались ферритовые запоминающие устройства серий ФЗУ-1, ФЗУ-2, ФЗУ-3, имевшие ёмкость от 1 до 16 килобайт.
• В 1970 году компания Intel выпустила первый коммерческий полупроводниковый чип памяти 1103 (1 килобит DRAM), что положило начало закату ферритовой технологии.
• Некоторые современные ретро-энтузиасты восстанавливают ферритовые запоминающие устройства для музейных компьютеров, используя оригинальные чертежи и материалы.

Источники

• Forrester, J. W. (1951). «Digital Information Storage in Three Dimensions Using Magnetic Cores». Journal of Applied Physics, 22(1), 44–48.
• Rajchman, J. A. (1953). «The Selectron—A Tube for Selective Electrostatic Storage». RCA Review, 14(1), 3–22.
• Карцев, М. А. (1974). «Цифровые вычислительные машины». М.: Наука.
• IBM Corporation (1964). «IBM System/360 Model 30 Functional Characteristics».
• Дегтярёв, В. И. (1985). «Ферритовые запоминающие устройства». М.: Энергия.
• Everspin Technologies (2020). «MRAM Technology Overview».