Оперативная память на магнитных сердечниках

Оперативная память на магнитных сердечниках (также ферритовая память, память на магнитных тороидальных сердечниках, core memory) — это тип запоминающего устройства с произвольным доступом, в котором каждый бит информации хранится в виде направления остаточной намагниченности небольшого ферритового кольца (сердечника). Данная технология являлась основным видом оперативной памяти в компьютерах с середины 1950-х до начала 1970-х годов, пока не была вытеснена полупроводниковой памятью.

История

Предпосылки и ранние разработки

Принцип магнитной записи был известен с конца XIX века, однако для создания запоминающих устройств, работающих в цифровых системах, потребовалось разработать материалы с прямоугольной петлёй гистерезиса. В 1940-х годах в США велись работы по созданию магнитных барабанов и линий задержки. Первым шагом к созданию памяти на сердечниках стало изобретение в 1949 году в Массачусетском технологическом институте (MIT) под руководством Джея Форрестера запоминающего устройства на ферритовых кольцах. Параллельно, независимо от Форрестера, в 1951 году аналогичную систему разработал Ян Райхман (США) для компьютера «Whirlwind».

Коммерциализация

Первым коммерческим компьютером, использующим оперативную память на магнитных сердечниках, стал IBM 704 (1954 год). В 1956 году IBM представила модель IBM 305 RAMAC, где память на сердечниках использовалась для хранения данных. К концу 1950-х годов технология стала доминирующей: она была энергонезависимой (данные сохранялись при отключении питания), надёжной и относительно быстрой для своего времени. Память на сердечниках применялась в мейнфреймах, мини-компьютерах, а также в бортовых вычислительных системах (например, в космических аппаратах программы «Аполлон»).

Упадок

В 1960-х годах начали развиваться полупроводниковые технологии, в частности, статическая (SRAM) и динамическая (DRAM) память на транзисторах. К середине 1970-х годов стоимость и плотность упаковки полупроводниковой памяти превзошли показатели ферритовой. Последние крупные системы с памятью на сердечниках выпускались до начала 1980-х годов (например, в советских ЭВМ серии «Эльбрус»). В настоящее время технология представляет исторический интерес, но не используется в коммерческих вычислительных устройствах.

Принцип работы

Физические основы

Магнитный сердечник изготавливается из феррита — керамического материала, обладающего ферромагнитными свойствами и прямоугольной петлёй гистерезиса. Каждый сердечник представляет собой тороид (кольцо) с внешним диаметром от 0,3 до 2 мм. Через отверстие сердечника пропускаются две или три проволочные обмотки:

• Адресная (X и Y) — для выбора конкретного сердечника в матрице.
• Считывающая/записывающая (S) — для чтения или записи данных.

Запись и чтение

Для записи бита «1» через сердечник пропускают импульс тока, создающий магнитное поле, достаточное для перемагничивания феррита в одно из двух устойчивых состояний (например, по часовой стрелке). Для записи «0» импульс подаётся в противоположном направлении. Чтение осуществляется путём подачи импульса тока, который переводит сердечник в состояние «0». Если в сердечнике был записан «1», то при перемагничивании в обмотке считывания индуцируется импульс ЭДС. Если был «0», то перемагничивания не происходит, и сигнал отсутствует. Таким образом, чтение является разрушающим — после считывания данные необходимо восстановить (записать обратно).

Матричная организация

Сердечники объединяются в прямоугольные матрицы (например, 32×32 = 1024 бита). Для адресации используются две группы проводов (X и Y), проходящие через все сердечники строки и столбца. При подаче тока на одну линию X и одну линию Y суммарное магнитное поле возникает только в сердечнике на их пересечении, что позволяет выбирать отдельный бит. Для увеличения объёма памяти матрицы объединяются в стопки (плоскости), каждая из которых хранит один бит слова. Например, для 16-разрядного слова требуется 16 плоскостей.

Характеристики

Преимущества

• Энергонезависимость: данные сохраняются при отключении питания.
• Высокая надёжность: ферритовые сердечники устойчивы к радиации, перепадам температур и механическим воздействиям.
• Произвольный доступ: время доступа к любому биту одинаково.

Недостатки

• Низкая плотность упаковки: один сердечник хранит один бит, что ограничивает объём памяти (типичные значения — от 1 КБ до 512 КБ для больших систем).
• Высокое энергопотребление: для перемагничивания сердечников требуются значительные токи.
• Сложность производства: ручная или полуавтоматическая сборка матриц (плетение проводов через кольца) была трудоёмкой и дорогой.
• Разрушающее чтение: необходимость восстановления данных после каждой операции чтения увеличивает время цикла.

Типичные параметры

• Время доступа: 0,5–6 микросекунд.
• Время цикла (чтение+восстановление): 1–12 микросекунд.
• Рабочая температура: от −40 до +85 °C.
• Ёмкость одного модуля: от 1 КБ до 64 КБ (в 1960-х годах).

Применение

Вычислительная техника

Память на магнитных сердечниках использовалась в качестве оперативной памяти (ОЗУ) в большинстве компьютеров второго поколения (1950–1960-е годы). Примеры:

• IBM 704, 709, 7090 — мейнфреймы.
• DEC PDP-1, PDP-8 — мини-компьютеры.
• Советские ЭВМ: «БЭСМ-6», «М-20», «Минск-32», «ЕС ЭВМ» (ранние модели).
• Бортовые системы: компьютер Apollo Guidance Computer (AGC) для лунных миссий NASA.

Промышленность и военная техника

Благодаря устойчивости к радиации и вибрациям, ферритовая память применялась в системах управления ракет, спутников и атомных электростанций. В СССР, например, она использовалась в вычислительных комплексах для систем ПВО и в космических аппаратах «Восток».

Интересные факты

• В 1960-х годах стоимость 1 бита ферритовой памяти составляла около 1 доллара США (в ценах того времени), что делало компьютеры чрезвычайно дорогими.
• В процессе производства памяти на сердечниках широко использовался женский труд: сборщицы вручную продевали провода через крошечные кольца под микроскопом. Эта работа считалась одной из самых высокооплачиваемых в электронной промышленности того времени.
• Технология памяти на магнитных сердечниках стала основой для разработки магнитной ленты и жёстких дисков.
• В 2010-х годах компания Everspin Technologies возродила идею магниторезистивной памяти (MRAM), которая использует схожий физический принцип (магнитное переключение), но на основе тонкоплёночных структур.

Критика

Основным недостатком технологии с точки зрения современных требований является низкая плотность упаковки и высокое энергопотребление. Однако в своё время память на сердечниках была единственным массовым решением для оперативной памяти, обеспечивающим приемлемую скорость и надёжность. С развитием полупроводниковой микроэлектроники она была полностью вытеснена, но оставила значительный след в истории вычислительной техники.