磁芯记忆效应的从“0”到“1”

时间:2019-10-16

  磁芯存储器统治了计算机技术1/4个世纪之久。
  其实磁芯存储技术早是麻省理工学院研究成功的。但是竟然被IBM完全买断,简直不可思议。
  IBM公司当年购买麻省理工学院的磁芯存储技术时,曾经提议按将来每生产1个磁芯付1美分的方式计价。麻省理工学院由于对未来市场发展没有把握,宁可做了“一锤子买卖”,把技术“卖断”。
  后来全世界的磁芯需求量完全超乎初的想象。仅在1968年美国就穿了200亿个磁芯。早知如此,麻省理工学院当年应当欣然接受IBM的建议。
  磁芯存储卡电路板
  实际尺寸为10.8×10.8cm
  card from wiki
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  磁芯记忆效应的从“0”到“1”
  制备磁铁的“硬磁”材料,在没有外加磁场时,也能保持磁化方向。这是一种记忆效应。只有加足够大的反向磁场,才能使磁化方向反转。
  因此,如果选取具有单一易磁化方向的材料,令顺反两种磁化方式分别代表1和0,就可以用来保存二进制信息。
  1940年后期,有几组科学家同时想到用硬磁材料做成圆环,靠通过环孔的电流脉冲来改变磁化方向。
  1950年美国麻省理工学院的福雷斯特研制成功基于这一原理的磁芯存储器,学院把这一技术卖给了IBM公司。
  早使用的是含镍合金环,很快就改用类似陶瓷的非导体材料——铁氧体环。铁氧体是基于过渡金属元素铁、钴、锰、镍等的氧化物,既有硬磁材料,也有软磁材料
  所谓软磁材料,是放在磁场中才磁化,取消磁场后磁化也随之消失的材料,通常用作电磁铁、变压器、继电器铁芯的都是软磁材料。用作磁芯的多是含镁锰或镍锰的铁氧体。


  过度金属族元素
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  单个磁芯的工作原理
  单个磁芯的工作原理很简单。用一个足够大的正电流脉冲,使磁环顺时针方向磁化。把这个方向称为“0”。这时加反方向的电流脉冲。如果脉冲的幅度不够大,磁化状态不会改变。只有脉冲幅度超过-Im时,磁化方向才会反转过来,成为“1”状态。要从“1”回到“0”,必须加幅度大于Im的正向电流脉冲。磁滞回线接近矩形,合乎记忆元件的要求。相应材料特称为“矩磁材料”。
  磁滞现象
  磁滞现象是指铁磁性物理材料(例如:铁)在磁化和去磁过程中,铁磁质的磁化强度不仅依赖于外磁场强度,还依赖于原先磁化强度的现象。当外加磁场施加于铁磁质时,其原子的偶极子按照外加场自行排列。
  即使当外加场被撤离,部分排列仍保持:此时,该材料被磁化。一旦被磁化了,其磁性会继续保留。要消磁的话,只要施加相反方向的磁场就可以了。这也是硬盘的记忆运作原理。
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  谈“科学"上的交易
  为了把信息写进去和读出来,需要在磁芯中穿过多条导线。人们发明了各种方案,其中常用的办法之一,是穿四条线,包括一条读出线和一条禁止线。磁芯的尺寸愈小,所需的驱动电流和功率消耗也愈小,而开关时间也缩短。同时小磁芯可以更密集地排成阵列,减少电信号在导线中的延迟。因此,从1953年取代延迟线存储器以后,磁芯尺寸越做越小。磁芯外内径之比(以毫米为单位),从2.0/1.3缩小到0.18/0.10。一种磁芯的内径,已经和人头发一般粗细。然而,磁芯愈小,穿线排阵的工艺愈难。
  以0.5/0.3的磁芯为例。为了制造16384字、字长32位的存储器,需要穿32块128×128的磁芯板。磁芯板的尺寸大约是16厘米×16厘米。这都是靠手工完成的。穿磁芯过程中如果碰破一个磁环,就前功尽弃。世界各大计算机厂商,曾经大量利用亚洲的廉价妇女劳动力来穿磁芯。这和计算机工艺其他方面的高度自动化,形成尖锐对照,也说明存储元件还没有达到可以同计算元件相匹配的水平。
  IBM公司当年购买麻省理工学院的磁芯存储技术时,曾经提议按将来每生产1个磁芯付1美分的方式计价。麻省理工学院由于对未来市场发展没有把握,宁可做了“一锤子买卖”,把技术“卖断”。后来全世界的磁芯需求量完全超乎初的想象。仅在1968年美国就穿了200亿个磁芯。早知如此,麻省理工学院当年应当欣然接受IBM的建议。
  为了避免手工穿线的困难,人们曾经研制过其他类型的磁性存储元件,例如磁膜、镀线、磁泡等。其中磁膜和镀线存储器曾经取得一定程度的成功,用到过某些计算机上。磁泡存储器的优点是可以自然地实现一些逻辑功能,但是读写速度却上不去。到了20世纪70年代后期,半导体大规模集成电路存储器逐渐取代磁性记忆元件成为随机存储器的主流。
  然而,“30年河东、30年河西”,随着纳米级的半导体器件的结构逐渐接近物理极限,新型的磁性随机存储器可能再度称雄。

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