Магнитная память на сердечниках

Магнитная память на сердечниках (также ферритовая память, память на магнитных сердечниках) — это тип запоминающего устройства (ЗУ) с произвольным доступом, в котором каждый бит информации хранится в виде направления намагниченности небольшого ферритового кольца (сердечника). Является исторически первой формой энергонезависимой оперативной памяти, широко применявшейся в компьютерах 1950-х — 1970-х годов.

История

Предпосылки и изобретение

В 1940-х годах основными типами памяти в вычислительных машинах были линии задержки на ртути, электронно-лучевые трубки (трубка Уильямса) и магнитные барабаны. Все они имели существенные недостатки: линии задержки были последовательными и медленными, трубки Уильямса — ненадёжными, а барабаны — медленными из-за механического вращения.

Принцип магнитной памяти был предложен в 1949 году американским физиком Джеем Форрестером (Массачусетский технологический институт) в рамках проекта Whirlwind. Независимо от него, в 1951 году аналогичную систему разработал Ян Раджман (компания RCA). Форрестер первым предложил использовать матрицу из ферритовых сердечников, пронизанных проводами, что позволило реализовать произвольный доступ к ячейкам.

Коммерческое внедрение

Первым компьютером, использовавшим магнитную память на сердечниках, стал Whirlwind II (1953). В 1955 году компания IBM выпустила модель IBM 705, где ферритовая память объёмом 20 000 слов (по 36 бит) стала стандартной опцией. К концу 1950-х годов этот тип памяти вытеснил все предшествующие технологии и стал доминирующим на протяжении двух десятилетий.

Упадок

С развитием полупроводниковой технологии в 1970-х годах ферритовая память начала уступать место статической (SRAM) и динамической (DRAM) памяти на интегральных схемах. Ключевыми факторами стали: меньшая стоимость, более высокая скорость, меньшие габариты и энергопотребление полупроводниковых микросхем. Последние крупные системы с ферритовой памятью выпускались до середины 1980-х годов (например, бортовые компьютеры космических аппаратов, где требовалась устойчивость к радиации).

Принцип работы

Физическая основа

Основным элементом является ферритовое кольцо (сердечник) из магнито-мягкого феррита — керамического материала с высокой магнитной проницаемостью и прямоугольной петлёй гистерезиса. Диаметр типичного сердечника составлял от 0,3 до 2 мм. Сердечник может находиться в одном из двух устойчивых состояний намагниченности: «0» (обычно по часовой стрелке) или «1» (против часовой стрелки). Переключение между состояниями требует приложения внешнего магнитного поля определённой полярности.

Матричная организация

Сердечники располагаются в виде плоской матрицы (платы). Через каждое кольцо проходят два или три провода:

• X-провод (строка)
• Y-провод (столбец)
• Считывающий провод (часто совмещён с записывающим)

Для выбора конкретного сердечника на пересечении строки и столбца подаются импульсы тока, каждый из которых создаёт половину поля, необходимого для перемагничивания. Только на пересечении двух проводов суммарное поле достигает порогового значения (принцип «совпадения токов»). Это позволяет адресовать любую ячейку независимо.

Чтение и запись

Чтение (деструктивное): Для чтения на X- и Y-провода подаются импульсы, стремящиеся установить сердечник в состояние «0». Если сердечник был в состоянии «1», он перемагничивается, создавая импульс напряжения на считывающем проводе (индукция ЭДС). Если сердечник был в состоянии «0», перемагничивания не происходит, и сигнал отсутствует. После чтения информация разрушается, поэтому требуется цикл регенерации (восстановления) — запись считанного бита обратно.

Запись: Для записи «1» на X- и Y-провода подаются импульсы полярности, противоположной считыванию. Для записи «0» — импульсы не подаются (или подаётся дополнительный импульс запрета на отдельный провод).

Цикл памяти

Полный цикл чтения-записи занимал от 0,5 до 6 микросекунд (время доступа). Скорость работы ограничивалась не только временем перемагничивания сердечников, но и индуктивностью проводов, а также временем восстановления после чтения.

Конструкция и производство

Материалы

Сердечники изготавливались из ферритов с составом, обеспечивающим прямоугольную петлю гистерезиса: магний-марганцевые (Mg-Mn), литий-марганцевые (Li-Mn) или кадмий-марганцевые (Cd-Mn) ферриты. Спекание производилось при температурах 1200–1400 °C.

Сборка

Процесс сборки был трудоёмким и выполнялся вручную или на полуавтоматических станках. Сердечники нанизывались на провода, образуя трёхмерную матрицу. Типичная плата памяти содержала 4096 (4K) или 16 384 (16K) сердечников. Для увеличения объёма памяти использовались стопки из нескольких плат.

Модули

Готовые модули памяти (например, IBM 2361 Large Capacity Storage) могли содержать до 2 миллионов бит (256 Кбайт). Размеры таких модулей были сопоставимы с большим шкафом.

Характеристики

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Энергонезависимость: данные сохраняются при отключении питания.
• Высокая надёжность: отсутствие движущихся частей, устойчивость к вибрациям и ударам.
• Радиационная стойкость: ферритовая память нечувствительна к ионизирующему излучению, что делало её незаменимой для военных и космических применений.
• Произвольный доступ: возможность обращения к любой ячейке за одинаковое время.

Недостатки

• Деструктивное чтение: каждый цикл чтения разрушает данные, требуя регенерации.
• Низкая скорость: по сравнению с полупроводниковой памятью.
• Большие габариты и вес: 1 Мбайт памяти мог занимать объём нескольких кубических метров.
• Высокая стоимость: ручная сборка и дорогие материалы.
• Высокое энергопотребление: импульсные токи перемагничивания требовали мощных источников питания.

Применение

Компьютеры

Магнитная память на сердечниках использовалась в большинстве мейнфреймов 1950-1970-х годов: IBM System/360, CDC 6600, DEC PDP-8, БЭСМ-6, «Эльбрус». В СССР ферритовая память применялась в серийных ЭВМ «Минск», «Урал», ЕС ЭВМ.

Военная и космическая техника

Благодаря радиационной стойкости, ферритовая память использовалась в системах управления ракет, бортовых компьютерах космических аппаратов (например, в программе «Аполлон»), а также в ядерных реакторах и военных самолётах.

Промышленность

В 1970-1980-х годах ферритовая память применялась в программируемых контроллерах (ПЛК) и станках с ЧПУ, где требовалась высокая надёжность в условиях помех.

Современное состояние

К началу XXI века ферритовая память полностью вытеснена полупроводниковой. Однако интерес к ней сохраняется в контексте разработки магниторезистивной памяти (MRAM), которая использует аналогичный физический принцип (магнитный туннельный переход), но на наноразмерном уровне. Некоторые исследовательские группы изучают возможность создания гибридных систем на основе ферритовых плёнок.

Интересные факты

• В 1960-х годах стоимость одного бита ферритовой памяти составляла около 1 доллара США (в ценах того времени).
• Самая большая ферритовая память в истории была установлена в компьютере ILLIAC IV (1972) — 8 миллионов бит (1 Мбайт), занимавшая несколько шкафов.
• В СССР ферритовая память производилась на заводах в Зеленограде, Киеве и Минске.
• В 2019 году компания Intel объявила о прекращении выпуска последних микросхем с ферритовой памятью для специальных применений.

Источники

• Форрестер, Дж. «Магнитная память с произвольным доступом» (1951)
• Раджман, Я. «Ферритовые сердечники для запоминающих устройств» (1952)
• IBM Journal of Research and Development, том 5, № 3 (1961)
• «Электронные вычислительные машины» под ред. В. М. Глушкова (1970)
• «Память на магнитных сердечниках» — статья в БСЭ (3-е издание, 1974)
• Техническая документация к ЭВМ БЭСМ-6 (1967)