Изобретение относится к области магнитной записи и воспроизведения информации и может быть использовано в технике с реверсивными цифровыми запоминающими устройствами с высокоплотной записью для работы с большими массивами данных и в других электронных устройствах.
В современной вычислительной технике, а также во многих других электронных устройствах одним из основных блоков являются устройства памяти, эффективность которых характеризуется следующими основными параметрами: объемом хранимой информации и плотностью записи; временем доступа (продолжительностью полного цикла обращения к информации, хранящейся по произвольному адресу); энергонезависимостью хранения (возможностью сохранения информации при выключенном питании); долговечностью памяти; стоимостью изготовления при массовом производстве 1 Мбайта памяти.
В настоящее время по объему хранимой информации (от 128 до 2000 Мбайт) оптические диски превосходят все другие устройства памяти, однако они либо не приспособлены для перезаписывания, либо время записи и воспроизведения информации на них очень велико (например, время доступа составляет 30-50 мс). Магнитные жесткие диски также могут хранить большой объем информации (до 10 Гбайт), которая может перезаписываться. Время доступа уменьшено до 8-15 мс, однако указанное время все еще весьма велико. Оба типа устройств памяти (оптические диски и магнитные жесткие диски) являются энергонезависимыми.
В устройствах "динамической " памяти с произвольным доступом к информации в качестве элемента хранения информации (ячейки памяти) используется заряженный конденсатор. Эти устройства выполнены в виде интегральных микросхем, благодаря чему они могут обеспечить очень малое время доступа порядка 10-50 нс, а плотность записи равна 3-12 Мбайт/см2.
Однако устройства "динамической "памяти не обладают энергонезависимостью и требуют периодической перезаписи (регенерации).
В устройствах "статической" памяти в качестве элемента хранения информации (ячейки памяти) используется полупроводниковый затвор в транзисторной сборке. Такие устройства сложны в изготовлении и используются только как кэш-память, то есть как буфер обмена между медленным и быстрым устройствами памяти. Недостатками устройств "статической" памяти являются ограниченная энергонезависимость, сравнительно небольшая плотность записи (1-2 Мбайта/см2) и высокая стоимость.
В последнее время ведутся работы по созданию устройств памяти, которые не имели бы вышеуказанных недостатков и в то же время обеспечивали высокую плотность записи (порядка 100 Мбайт/см2), малое время доступа (порядка 10 нс), свойство энергонезависимости, неограниченное число циклов перезаписи и воспроизведения информации и имели бы низкую стоимость. Этим требованиям наиболее близко отвечают так называемые устройства "сегнетоэлектрической" и "магнитной" памяти.
Как известно, большой класс поликристаллов, называемых сегнетоэлектриками, обладает способностью длительного хранения состояния заданной электрической поляризации. Это свойство позволяет использовать их в ячейках памяти, заменяя в устройствах "динамической" памяти диэлектрик, находящийся между обкладками конденсатора, на сегнетоэлектрик, за счет чего устройства "динамической" памяти приобретают свойство энергонезависимости.
Однако устройства "сегнетоэлектрической" памяти имеют ограниченное время жизни, так как даже после ограниченного числа циклов перемен поляризации наступает старение сегнетодиэлектрика вследствие накопления в кристалле паразитного электрического заряда, при этом абсолютная величина электрической поляризации ячейки памяти уменьшается, и она становится менее управляемой и со временем полностью теряет свойства памяти (Патент США N 5768182, МКИ H 01 L 31/062 (365/145), 1998).
Аналогичный недостаток имеют устройства памяти, созданные на основе других высококачественных диэлектриков, так как факт существования электрических зарядов неизбежно приводит к постепенному старению диэлектрической памяти из-за натекания паразитного заряда (Патент США N 5796670, G 11 C 13/00 (365-228), 1998).
Известны способ и устройство с так называемой "магнитной" памятью с произвольным доступом к информации, запись и воспроизведение информации в котором основаны на свойстве проводников изменять электрическое сопротивление при наложении магнитного поля (эффект анизотропного или гигантского магнитосопротивления).
Устройство содержит или отдельные цепи для записи и воспроизведения информации, или, при использовании проводников с гигантским магнитосопротивлением, многослойные структуры, в которых каждая ячейка памяти содержит отдельные элементы для записи, хранения и воспроизведения информации. Такая ячейка памяти может выдержать практически неограниченное число циклов перезаписи, что объясняется стабильностью так называемых "обменных" сил взаимодействия атомарных электронов и отсутствием в природе магнитных зарядов, которые приводили бы к деполяризации магнитных дипольных моментов носителей информации (Патент США N 5587943, МКИ G 11 С 11/15 (365/158), 1996).
Недостатком этого способа является то, что эффект анизотропного магнитосопротивления проявляется только на фоне очень большого омического сопротивления проводников. При использовании одной и той же цепи как для записи, так и для воспроизведения информации по проводнику пропускается большой ток, который приводит к проявлению электромиграционного эффекта (переноса вместе с электрическим током части вещества токовой шины), приводящего к потере работоспособности ячейки памяти.
Недостатками устройства, реализующего вышеописанный способ, являются невысокая плотность записи и сложность его изготовления, а при использовании проводников с гигантским магнитосопротивлением появляется большая зависимость работы устройства от температуры, то есть предпочтительны более низкие температуры.
Известно устройство памяти (магнитный транзистор), работа которого основана на использовании спинзависимых эффектов переноса заряда в магнитном поле (эффект туннельного переноса электронов). В магнитном транзисторе перенос заряда между двумя слоями металлического ферромагнита, разделенными слоем диэлектрика, управляется магнитным полем (Патент США N 5650958, МКИ G 11 В 5/127 (365/173), 1997).
Недостатком этого технического решения является зависимость работы устройства памяти от температуры, то есть его разогревание при длительной работе приводит к неустойчивости гистерезисных кривых.
Кроме того, устройство не технологично при его изготовлении, так как требуется большая многослойность (порядка десяти слоев разнородных материалов, включая диэлектрики).
Известны способ и устройство памяти для его осуществления, основанный на использовании продольно или поперечно расположенных на носителе магнитных частиц (доменов), обладающих магнитными дипольными моментами.
В устройстве памяти для записи и воспроизведения информации используется относительное перемещение носителя с магнитными частицами и магнитной головки, которая при записи генерирует, а при воспроизведении регистрирует однородное по направлению и переменное по значению напряженности магнитное поле. Плотность записи в этом случае обеспечивается на уровне 108- 109 бит/см2 (Гитлиц М.В. Магнитная запись сигналов. - М.; Радио и связь, 1990, с. 232).
Недостатками вышеуказанного технического решения являются ограничения на плотность записи из-за жесткого сцепления магнитных частиц (доменов) при уплотнении, возможность потери информации при воздействии внешних полей, а также использование при записи и воспроизведении информации узлов, механически движущихся с высокими скоростями, а следовательно, ограничивается время эксплуатации носителей и надежность устройства памяти.
Известен способ магнито-тороидной записи и воспроизведения информации, основанный на взаимодействии намагниченных частиц носителя, концентрически замкнутых в тороидоподобные конфигурации (агрегаты магнитных частиц носителя), с управляющим вихревым магнитным полем, которое при записи информации изменяет ориентацию моментов магнитных частиц, а при воспроизведении информации регистрирует параметры электрического поля, возбуждаемого движущимися агрегатами магнитных частиц носителя (Дубовик В.М., Марценюк А.М., Марценюк Н. М. Перемагничение агрегатов магнитных частиц вихревым полем и использование тороидности для записи информации. Препринт ОИЯИ, Р17-92-541, 1992).
Два состояния намагниченности таких агрегатов, принимаемых за "0" и "1" в цифровом коде, отличаются противоположными (по часовой стрелке или против) направлениями вихря намагниченности и соответственно противоположно ориентированными векторами тороидных моментов.
Плотность упаковки агрегатов частиц с тороидной намагниченностью практически ограничена только их размерами в силу слабого взаимодействия между агрегатами. Методы нанотехнологии позволяют получать одномерные ферромагнитные частицы с размерами 1-10 нм и более с намагниченностью насыщения порядка 300 Гс. Например, агрегат из четырех таких частиц обладает тороидной намагниченностью с напряженностью кругового магнитного поля между частицами агрегата около 103 Э, что достаточно для устойчивости агрегата и, таким образом, для надежного долговременного хранения информации. Так как каждый такой агрегат может хранить 1 бит информации, а площадь агрегата составляет 10-100 нм2, то плотность записи будет достигать 1012 - 1023 бит/см2.
Недостатком данного технического решения является его сложность при осуществлении, так как при воспроизведении информации с целью чтения отдельного бита информации требуется труднодостижимое быстрое перемещение узла чтения относительно носителя хранимой информации, а при записи информации - труднодостижимое значение тороидного момента, необходимого для возможности вихревого перемагничивания агрегата переменным электрическим полем.
Кроме того, использование плоского конденсатора для создания вихревого магнитного поля не позволяет обеспечить высокую степень локализации вихревого поля в пределах размеров одного агрегата, имеющего нанометрические размеры.
Наиболее близким аналогом к изобретению по решаемой задаче является способ тороидной записи и считывания информации, согласно которому в материале, например, магнитном формируют тороидоподобные конфигурации, каждая из которых имеет замкнутый магнитный поток определенного направления закрученности, при записи единицы альтернативной информации изменяют направление закрутки замкнутого магнитного потока в соответствующих тороидоподобных конфигурациях (Патент РФ N 2114466, МКИ G 11 В 5/00, 5/852, 1998).
Однако известный способ не позволяет обеспечить произвольный доступ к памяти, имеет относительно большое время доступа и при считывании информации, особенно на высоких частотах, требует сложно осуществимого процесса фазового детектирования.
Наиболее близким аналогом к изобретению является ячейка памяти, содержащая тороидоподобный элемент, выполненный из магнитного материала и расположенный в изолирующей среде (Патент РФ N 2114466, МКИ G 11 B 5/00, 5/852, 1998).
Однако известное устройство не может обеспечить требуемых плотности записи информации и быстродействия и является технологически трудоемким.
Наиболее близким аналогом к изобретению является устройство памяти, осуществляющее вышеуказанный способ записи и считывания информации, которое содержит тороидоподобные элементы, средство для перемагничивания тороидоподобных элементов и электронный блок управления (Патент РФ N 2114466, МКИ G 11 В 5/00, 5/852, 1998).
Однако известное устройство не может обеспечить требуемых плотности записи информации и быстродействия и является технологически трудоемким.
Кроме того, головка записи и считывания информации представляет собой матрицу с множеством нанометрических игл, зафиксированных в диэлектрике, и требует прецизионного устройства, обеспечивающего его относительное перемещение и перемещение носителя тороидоподобных магнитных конфигураций.
Задачей изобретения является создание способа записи и считывания информации, ячейки памяти и устройства памяти для осуществления способа, которые обеспечат массовое производство относительно дешевых, долговечных, энергонезависимых устройств памяти, обладающих большим объемом хранимой информации, высокой плотностью записи, малым временем доступа и высоким быстродействием.
Сущность способа тороидной записи и считывания информации заключается в том, что из материала, например, магнитного формируют тороидоподобные конфигурации, каждая из которых имеет замкнутый магнитный поток определенного направления закрученности. Из тороидоподобных конфигураций формируют структуры, каждая из которых состоит, по крайней мере, из одной информационной и, по крайней мере, одной эталонной конфигурации.
При записи единицы информации в пределах одной структуры изменяют направление закрученности замкнутого магнитного потока в соответствующих тороидоподобных конфигурациях и производят согласованное по времени и величине воздействие на информационную конфигурацию взаимопересекающимися подмагничивающим и перемагничивающим переменными магнитными полями.
При считывании единицы информации в пределах одной структуры производят воздействие на информационную и эталонную конфигурации переменным подмагничивающим полем, детектируют выходные сигналы информационной и эталонной конфигураций структуры, при этом по характеру их откликов определяют значение записанной в информационную конфигурацию единицы информации.
Запись единицы информации в пределах одной структуры возможно осуществить воздействуя на информационную конфигурацию одним или несколькими импульсами перемагничивающего магнитного поля при постоянном воздействии подмагничивающего магнитного поля.
Кроме того, тороидоподобные конфигурации могут быть выполнены из материала, обладающего сверхпроводимостью, например высокотемпературной сверхпроводящей керамики.
Сущность изобретения заключается также в том, что в ячейку памяти, содержащую тороидоподобный элемент, выполненный из магнитного материала и расположенный в изолирующей среде, введено средство для перемагничивания тороидоподобного элемента путем создания в его объеме пространственно-временной конфигурации магнитного поля, включающее, как минимум, одну токопроводящую сигнальную шину, проходящую через осевое отверстие тороидоподобного элемента и создающую в тороидоподобном элементе вихревое магнитное поле, и, как минимум, одну токопроводящую подмагничивающую шину, расположенную вне тороидоподобного элемента и создающую в тороидоподобном элементе магнитное поле, поперечное по отношению к вихревому.
Если в ячейке памяти тороидоподобный элемент выполнен из электропроводного магнитного материала, то тороидоподобный элемент и токопроводящие подмагничивающая и сигнальная шины изолированы друг от друга, а при выполнении тороидоподобного элемента из электронепроводящего магнитного материала токопроводящая подмагничивающая шина может быть расположена непосредственно на тороидоподобном элементе.
Токопроводящая подмагничивающая шина ячейки памяти может быть выполнена в виде петли, охватывающей тороидоподобный элемент.
В ячейке памяти тороидоподобный элемент может быть установлен между двух расположенных оппозитно друг к другу токопроводящих подмагничивающих шин или между четырех токопроводящих подмагничивающих шин, первые две из которых расположены оппозитно друг к другу над экваториальной плоскостью тороидоподобного элемента, а вторые две расположены оппозитно друг к другу под экваториальной плоскостью тороидоподобного элемента, причем токопроводящие сигнальные шины или, по крайней мере, одна из них расположены, как в первом, так и во втором случае, поперечно по отношению к токопроводящим подмагничивающим шинам.
Кроме того, в ячейке памяти часть тороидоподобного элемента, прилегающая к токопроводящей подмагничивающей шине, может быть выполнена из магнитожесткого материала, например феррита, а магнитозамыкающая часть может быть выполнена из магнитомягкого материала, например пермаллоя, при этом в качестве диэлектрического материала, из которого выполнена изолирующая среда, может быть использована окись кремния.
Сущность изобретения заключается также в том, что в устройство памяти, содержащее тороидоподобные элементы, средство для перемагничивания тороидоподобных элементов и электронный блок управления, введены информационные ячейки памяти и, по крайней мере, одна эталонная ячейка памяти, генератор сигналов, блок формирования токов подмагничивания (БФТП), блок формирования токов записи информации (БФТЗИ), блок инициализации, дешифратор адреса, блок детектирующих устройств и контроллер.
Каждая из информационных ячеек памяти и каждая из эталонных ячеек памяти включают упомянутые тороидоподобный элемент и средство для перемагничивания тороидоподобных элементов, включающее, как минимум, одну токопроводящую сигнальную шину и, как минимум, одну токопроводящую подмагничивающую шину. Информационные ячейки памяти сгруппированы в блоки, обеспечивающие пословный произвольный доступ к информации, причем блоки информационных ячеек памяти образуют матрицу памяти, имеющую К строк и L столбцов, где К - число токопроводящих подмагничивающих шин, а L - число токопроводящих сигнальных шин.
Каждая из К токопроводящих подмагничивающих шин информационных ячеек памяти и токопроводящая подмагничивающая шина каждой или, по крайней мере, одной из эталонных ячеек памяти соединены с соответствующими выходами БФТП, каждая из L токопроводящих сигнальных шин информационных ячеек памяти соединена с соответствующим выходом БФТЗИ, а токопроводящая сигнальная шина каждой или, по крайней мере, одной из эталонных ячеек памяти соединена с выходом блока инициализации.
Выход генератора сигналов соединен с сигнальными входами БФТП, БФТЗИ и блока инициализации, первые и вторые выходы дешифратора адреса соединены соответственно с К адресными входами БФТП и с L адресными входами БФТЗИ.
Каждая из L токопроводящих сигнальных шин информационных ячеек памяти и токопроводящая сигнальная шина каждой или, по крайней мере, одной из эталонных ячеек памяти соединены с соответствующими входами блока детектирующих устройств, L выходов которого соединены с информационными входами электронного блока управления, выходы кодов адреса и выходы данных которого соединены соответственно с входами дешифратора адреса и с L входами данных БФТЗИ, выход управления режимом инициализации электронного блока управления соединен с одноименным входом блока инициализации.
Входы кодов адреса, входы-выходы данных и входы-выходы сигналов управления электронного блока управления соединены с соответствующими выходами и входами-выходами контроллера, а информационный вход блока инициализации является входом сигнала логической единицы.
Эталонные ячейки памяти могут быть по разному расположены относительно информационных ячеек памяти, например каждая из эталонных ячеек памяти (по крайней мере, одна эталонная ячейка памяти) и расположенная рядом с ней соответствующая информационная ячейка памяти могут быть размещены с одной стороны от токопроводящей подмагничивающей шины или каждая из эталонных ячеек памяти (по крайней мере, одна эталонная ячейка памяти) может быть расположена между двух соответствующих информационных ячеек памяти, которые размещены с одной стороны от токопроводящей подмагничивающей шины, или каждая из эталонных ячеек памяти (по крайней мере, одна эталонная ячейка памяти) может быть расположена зеркально к соответствующей информационной ячейке памяти относительно осевой линии токопроводящей подмагничивающей шины.
Кроме того, эталонные ячейки памяти могут быть выполнены в виде эталонной матрицы, геометрические размеры которой идентичны геометрическим размерам матрицы памяти, причем обе матрицы расположены симметрично относительно БФТП и блока детектирующих устройств.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана графическая иллюстрация способа записи и считывания информации;
на фиг. 2 показана структура ячейки памяти;
на фиг. 3 и фиг. 4 показаны ячейки памяти в разрезе по экваториальной плоскости тороидоподобного элемента, выполненного соответственно из электропроводного и электронепроводящего магнитного материала;
на фиг. 5 показана ячейка памяти в разрезе по экваториальной плоскости тороидоподобного элемента с токопроводящей подмагничивающей шиной, выполненной в виде петли;
на фиг. 6 показана ячейка памяти в разрезе по экваториальной плоскости тороидоподобного элемента, выполненного из различных магнитных материалов;
на фиг. 7 показана ячейка памяти в разрезе по экваториальной плоскости тороидоподобного элемента с двумя токопроводящими подмагничивающими шинами;
на фиг. 8 показана ячейка памяти с четырьмя токопроводящими подмагничивающими шинами;
на фиг. 9 показана ячейка памяти в разрезе по меридианальной плоскости тороидоподобного элемента с четырьмя токопроводящими подмагничивающими шинами;
на фиг. 10 показана функционально- структурная схема устройства памяти;
на фиг. 11 - фиг. 13 показаны принципиальные схемы элементов БФТП, БФТЗИ и блока инициализации соответственно;
на фиг. 14 - фиг. 16 схематически показано расположение информационной ячейки памяти и эталонной ячейки памяти относительно друг друга и относительно токопроводящей подмагничивающей шины;
на фиг. 17 и фиг. 18 показаны временные диаграммы работы устройства памяти в режиме считывания информации.
Ячейка памяти (фиг. 2 - фиг. 5) содержит тороидоподобный элемент 9, токопроводящую сигнальную шину 10, токопроводящую подмагничивающую шину 11 и изолирующую среду 12.
Ячейка памяти (фиг. 6) содержит тороидоподобный элемент 9, состоящий из двух частей 9a и 9b, токопроводящую сигнальную шину 10, токопроводящую подмагничивающую шипу 11 изолирующую среду 12.
Ячейка памяти (фиг. 7) содержит тороидоподобный элемент 9, токопроводящую сигнальную шину 10, две токопроводящие подмагничивающие шины 11a 11b и изолирующую среду 12.
Ячейка памяти (фиг. 8 и фиг. 9) содержит тороидоподобный элемент 9, токопроводящую сигнальную шину 10, четыре токопроводящие подмагничивающие шины 11a, 11b, 11e, 11d (изолирующая среда на чертежах не показана).
В ячейках памяти тороидоподобный элемент 9 может быть выполнен из различных магнитных материалов, что определяет его определенное расположение относительно средства для перемагничивания, которое создает в объеме тороидоподобного элемента 9 пространственно-временную конфигурацию магнитного поля.
Средство для перемагничивания включает, как минимум, одну токопроводящую сигнальную шину 10, проходящую через осевое отверстие тороидоподобного элемента 9 и создающую в тороидоподобном элементе 9 вихревое магнитное поле, и, как минимум, одну токопроводящую подмагничивающую шину 11, расположенную вне тороидоподобного элемента 9 и создающую в тороидоподобном элементе 9 магнитное поле, поперечное по отношению к вихревому.
Токопроводящие сигнальные и токопроводящие подмагничивающие шины ячейки памяти выполнены из электропроводящего материала, например серебра, изолирующая среда выполнена из диэлектрического материала, например окиси кремния, а тороидоподобный элемент 9 выполнен из магнитного материала, при этом, если магнитный материал электропроводный, то тороидоподобный элемент 9 и токопроводящие сигнальная и подмагничивающая шины 10 и 11 изолированы друг от друга и расположены в изолирующей среде, например окиси кремния (фиг.3), и если магнитный материал электронепроводящий или верхняя часть 9a тороидоподобного элемента 9 выполнена из магнитожесткого материала, например феррита, а магнитозамыкающая часть 9b выполнена из магнитомягкого материала, например пермаллоя, то токопроводящая подмагничивающая шина 11 может быть расположена непосредственно на тороидоподобном элементе 9 (фиг. 4) или на его верхней части (фиг. 6).
Токопроводящая подмагничивающая шина 11 может быть выполнена в виде петли, охватывающей тороидоподобный элемент 9 (фиг. 5). Тороидоподобный элемент 9 может быть размещен между двух расположенных оппозитно друг к другу токопроводящих подмагничивающих шин 11a, 11b (фиг. 7) или между четырех токопроводящих подмагничивающих шин 11a, 11b, 11c, 11d, первые две из которых 11a, 11b расположены оппозитно друг к другу над экваториальной плоскостью тороидоподобного элемента 9, а вторые две 11c, 11d расположены оппозитно друг к другу под экваториальной плоскостью тороидоподобного элемента 9 (фиг. 8 и фиг. 9), при этом токопроводящие сигнальные шины 10 или, по крайней мере, одна из них расположены поперечно по отношению к токопроводящим подмагничивающим шинам.
Устройство памяти (фиг. 10) содержит матрицу 13 памяти, образованную информационными ячейками памяти, включающими тороидоподобные элементы 14, токопроводящие подмагничивающие шины 15 и токопроводящие сигнальные шины 16, эталонную ячейку памяти, включающую тороидоподобный элемент 17, токопроводящую подмагничивающую шину 15 и токопроводящую сигнальную шину 18, генератор 19 сигналов, блок 20 формирования токов подмагничивания (БФТП), блок 21 формирования токов записи информации (БФТЗИ), блок 22 инициализации, дешифратор 23 адреса, блок 24 детектирующих устройств, электронный блок 25 управления и контроллер 26.
На фиг. 14 - фиг. 16 обозначены: 34 - информационная ячейка памяти, 35 - эталонная ячейка памяти и 36 - токопроводящая подмагничивающая шина.
В устройстве памяти (фиг. 10) информационные ячейки памяти сгруппированы в блоки, обеспечивающие пословный произвольный доступ к информации, причем блоки ячеек памяти образуют матрицу 13 памяти, имеющую К строк и L столбцов, где К - число токопроводящих подмагничивающих шин 15, а L - число токопроводящих информационных шин 16.
Каждая из К токопроводящих подмагничивающих шин 15 матрицы 13 памяти и токопроводящая подмагничивающая шина 15 эталонной ячейки памяти соединены с соответствующим выходом БФТП 20, каждая из L токопроводящих сигнальных шин 16 информационных ячеек памяти соединена с соответствующим выходом БФТЗИ 21, а сигнальная шина 18 эталонной ячейки памяти соединена с выходом блока 22 инициализации. Сигнальные входы БФТП 20, БФТЗИ 21 и блока 22 инициализации соединены с выходом генератора 19 сигналов. Первые и вторые выходы дешифратора 23 адреса соединены соответственно с К адресными входами БФТП 20 и с L адресными входами БФТЗИ 21.
Каждая из L токопроводящих сигнальных шин 16 информационных ячеек памяти и токопроводящая сигнальная шина 18 эталонной ячейки памяти соединены с соответствующими входами блока 24 детектирующих устройств, L выходов которого соединены с информационными входами электронного блока 25 управления, выходы кодов адреса и выходы данных которого соединены соответственно с входами дешифратора 23 адреса и с L входами данных БФТЗИ 21. Выход управления режимом инициализации электронного блока 25 управления соединен с одноименным входом блока 22 инициализации.
Входы кодов адреса, входы-выходы данных и входы-выходы сигналов управления электронного блока 25 управления соединены с соответствующими выходами и входами-выходами контроллера 26, а информационный вход блока 22 инициализации является входом сигнала логическая единица.
Эталонные ячейки 35 памяти (фиг. 14 - фиг. 16) могут быть по разному расположены относительно информационных ячеек 34 памяти и токопроводящей подмагничивающей шины 36. Каждая из эталонных ячеек 35 памяти может быть расположена зеркально к соответствующей информационной ячейке 34 памяти относительно осевой линии токопроводящей подмагничивающей шины 36 или каждая из эталонных ячеек 35 памяти и расположенная рядом с ней соответствующая информационная ячейка 34 памяти могут быть размещены с одной стороны от токопроводящей подмагничивающей шины 36, или каждая из эталонных ячеек 35 памяти может быть расположена между двух соответствующих информационных ячеек 34 памяти, которые размещены с одной стороны от токопроводящей подмагничивающей шины 36.
Эталонные ячейки памяти могут быть выполнены в виде эталонной матрицы, геометрические размеры которой идентичны геометрическим размерам матрицы памяти, в таком случае обе матрицы располагаются симметрично относительно блока формирования токов подмагничивания (БФТП) и блока детектирующих устройств.
Осуществление способа записи и считывания информации поясняется графической иллюстрацией, приведенной на фиг. 1, на которой обозначены: 1 - информационная конфигурация, 2 - эталонная конфигурация, 3 - направление закрученности замкнутого магнитного потока, 4, 5 - токопроводящие сигнальные шины, 6 - токопроводящая подмагничивающая шина, 7 - текущее направление тока в шине 6, 8 - направление подмагничивающего магнитного поля. А, В и С, D - точки на шинах 4 и 5 соответственно.
Способ тороидной записи и считывания информации осуществляется следующим образом.
В материале, например, ферромагнитном формируют тороидоподобные конфигурации, каждая из которых имеет замкнутый магнитный ноток определенного направления закрученности, из которых формируют структуру (фиг. 1), которая состоит из информационной тороидоподобной конфигурации 1 и эталонной тороидоподобной конфигурации 2, имеющих одинаковое направление 3 замкнутого магнитного потока (для упрощения осуществление способа раскрывается на одной структуре).
Информационная и эталонная тороидоподобные конфигурации, соответственно 1 и 2, намагничены таким образом, чтобы магнитный поток был замкнут внутри них и имел определенное направление закрученности, тороидоподобная конфигурация при этом может находится в двух состояниях намагничения, отличающихся направлением магнитного потока (по или против часовой стрелки), что позволяет использовать ее как единицу хранения информации.
При записи единицы альтернативной информации в пределах одной структуры изменяют направление 3 закрученности замкнутого магнитного потока, для чего производят согласованное по величине и по времени, например одновременно, воздействие на информационную конфигурацию 1 взаимопересекающимися подмагничивающим и перемагничивающим переменными магнитными полями. Для этой цели используются две шины: токопроводящая сигнальная шина 4 и токопроводящая подмагничивающая шина 6, причем шина 4 проходит внутри тороидоподобного кольца информационной конфигурации 1, а шина 6 - снаружи. Шина 4 создает в информационной конфигурации 1 вихревое магнитное поле, которое направлено по или против направления намагничения информационной конфигурации 1, а шина 6 создает магнитное ноле, направленное перпендикулярно намагничению информационной конфигурации 1, при этом происходит перемагничение информационной конфигурации 1 (изменение направления тороидного момента).
Запись единицы информации в пределах одной структуры может производиться также при воздействии на информационную конфигурацию 1 одним или несколькими импульсами перемагничивающего магнитного поля при постоянном воздействии подмагничивающего магнитного поля. Величины токов перемагничения определяются коэрцитивной силой магнитного материала, а направление перемагничения - направлением тока в шине 4.
Для обеспечения процесса считывания информации эталонную конфигурацию 2 в режиме инициализации намагничивают с определенным заданным направлением 3 закрученности магнитного поля, для чего используются две шины: токопроводящая сигнальная шина 5 и токопроводящая подмагничивающая шина 6, причем шина 5 проходит внутри тороидоподобного кольца эталонной конфигурации 2, а шина 6 - снаружи, причем шина 6 является общей как для информационной, так и для эталонной конфигураций 1 и 2.
При считывании информации, записанной в информационную конфигурацию 1, на информационную и эталонную тороидоподобные конфигурации 1 и 2 производят воздействие переменным подмагничивающим полем, для чего по шине 6 пропускается в направлении 7 переменный ток I частоты ω, при этом происходят периодические, с удвоенной частотой 2ω, колебания магнитных диполей частиц информационной конфигурации 1 и эталонной конфигурации 2, что вызывает появление ЭДС индукции частотой 2ω между точками А, В шины 4 и между точками С, D шины 5. Фазы индуцируемых ЭДС однозначно определяются направлением закрученности магнитного поля в тороидообразных конфигурациях 1 и 2.
Сравнивая между собой фазы индуцированных ЭДС информационной и эталонной конфигураций 1 и 2 определяют значение (0 или 1) записанной в информационную конфигурацию 1 единицы информации.
Скорость перемагничения тороидоподобных конфигураций определяется главным образом величиной и темпом наложения подмагничивающего и перемагничивающего полей, частоты которых могут достигать 100 МГц. Это позволяет обеспечить процесс записи единицы информации за 10 нс и таким образом обеспечить требования современной высокоскоростной вычислительной техники.
Величины токов перемагничения ограничены снизу величиной коэрцитивной силы и объемом магнитного материала в тороидоподобной конфигурации, которые определяют энергетические затраты - E на процесс перемагничения, а сверху - энергией теплового движения - kT. Чтобы обеспечить надежность хранения информации при температурных воздействиях, энергетические затраты должны быть больше энергии теплового движения. Принимая, что E = 5 kT, значение суммарного тока I в шинах 4 и 6 при напряжении 5 В составит 50 мА. При среднем темпе записи информации - 100 Мбайт/сек энергетические затраты на перемагничение составят примерно 7•10ехр (-14) Вт. Учитывая, что электрическое сопротивление шин 4 и 5 не является лимитирующим фактором процесса записи и считывания информации, то потери на омическое сопротивление составляют не более 0,01 от полезной мощности и, таким образом, тепловой поток будет иметь допустимую величину, равную примерно 7•10ехр (-16) Вт.
Вышеприведенное описание способа записи и считывания информации также справедливо при формировании тороидоподобных конфигураций из материала, обладающего сверхпроводимостью, например высокотемпературной сверхпроводящей керамики.
Ячейка памяти работает следующим образом.
В объеме тороидоподобиого элемента 9 ячейки памяти (фиг. 2 и фиг. 3) для его перемагничивания создается пространственно-временная конфигурация магнитного поля. С этой целью используется, как минимум, одна токопроводящая сигнальная шина 10, проходящая через осевое отверстие тороидоподобного элемента 9 и создающая в нем вихревое магнитное поле, и, как минимум, одна токопроводящая подмагничивающая шина 11, расположенная вне тороидоподобного элемента 9 и создающая в нем магнитное поле, поперечное по отношению к вихревому.
Согласно изобретению ячейки памяти могут иметь различное конструктивное выполнение, которое показано на фиг. 3 - фиг. 9 и описано выше.
Ячейка памяти обеспечивает работу как в режиме записи информации, так и в режиме считывания информации, при этом при считывании информации не происходит разрушения записанной в ячейку информации.
Конструктивно-функциональное выполнение ячейки памяти позволяет использовать ее в качестве как информационной, так и эталонной ячеек памяти.
Устройство памяти работает следующим образом.
Информационные ячейки памяти сгруппированы в блоки, обеспечивающие пословный произвольный доступ к информации, причем блоки информационных ячеек памяти образуют матрицу 13 памяти, имеющую К строк и L столбцов, где К - число токопроводящих подмагничивающих шин, а L - число токопроводящих сигнальных шин (фиг. 10).
В устройстве памяти в исходном состоянии каждый из тороидоподобных элементов 14 информационных ячеек памяти и тороидоподобный элемент 17 эталонной ячейки памяти имеют замкнутый магнитный поток произвольного направления закрученности. Для обеспечения однозначного определения значения считываемой информации производят инициализацию устройства путем записи в тороидоподобный элемент 17 эталонной ячейки памяти логической единицы в виде придания замкнутому магнитному потоку определенного направления закрученности.
Запись информации в информационные ячейки памяти матрицы 13 памяти осуществляется следующим образом. Сигнал с выхода генератора 19 сигналов поступает на сигнальный вход БФТП 20, который содержит (фиг. 11) К электронных ключей 27, на первый вход каждого из которых подается сигнал от генератора 19 сигналов, а на второй вход каждого из электронных ключей 27 - сигнал с одного из К выходов дешифратора 23 адреса. Выход каждого из электронных ключей 27 соединен с соответствующим входом многовходового логического элемента ИЛИ 28, выход которого и выходы каждого из К электронных ключей 27 являются (К + 1) выходом БФТП 20.
Таким образом, в БФТП 20 в соответствии с одним из К адресов формируются соответствующие К выходные сигналы, поступающие на соответствующие токопроводящие подмагничивающие шины 15, и выходной сигнал, поступающий на токопроводящую подмагничивающую шину 15 эталонной ячейки памяти.
Сигнал с выхода генератора 19 сигналов поступает также на сигнальный вход БФТЗИ 21, который содержит (фиг. 12) L групп, в каждой из которых на первый вход электронного ключа 29 непосредственно и на первый вход электронного ключа 30 через логический элемент НЕ 31 подается сигнал с выхода генератора 19 сигналов. Вторые входы электронных ключей 29 и 30 объединены и подключены к одному из L выходов дешифратора 23 адреса. На третий вход электронного ключа 29 непосредственно и на третий вход электронного ключа 30 через логический элемент НЕ 32 поступают данные от электронного блока 25 управления. Объединенный выход электронных ключей 29 и 30 является одним из L выходов БФТЗИ 21.
Таким образом, в БФТЗИ 21 в соответствии с одним из L адресов формируются соответствующие L выходные сигналы, каждый из которых поступает на токопроводящую сигнальную шину 16 одной из соответствующих информационных ячеек памяти, причем при наличии на входе данных БФТЗИ 21 сигнала логической единицы сигнал на соответствующем выходе БФТЗИ 21 будет иметь фазу, совпадающую с фазой сигнала, поступающего с выхода генератора 19 сигналов.
В результате на тороидоподобные элементы 14 информационных ячеек памяти осуществляется воздействие взаимопересекающимися подмагничивающим и перемагничивающим переменными магнитными полями, которые при записи альтернативной информации изменяют направление закрученности замкнутого магнитного потока в тороидоподобных элементах 14.
Запись логической единицы в эталонную ячейку памяти производится следующим образом. По сигналу управления, поступающему с контроллера 26, в электронном блоке 25 управления вырабатывается сигнал "управление режимом инициализации", который разрешает запись сигнала логической единицы с выхода блока 22 инициализации в эталонный элемент памяти. Блок 22 инициализации (фиг. 13) выполнен в виде трехвходового логического элемента И 33, на первый, второй и третий входы которого поступают соответственно сигналы от генератора 19 сигнала, сигнал "управление режимом" инициализации и сигнал логической единицы. Сигнал с выхода блока 22 инициализации, фаза которого совпадает с фазой сигнала, поступающего с выхода генератора 19 сигнала, подается на сигнальную шину 18 эталонной ячейки памяти, на подмагничивающую шину 15 которой одновременно подается сигнал с выхода логического элемента ИЛИ 28 БФТП 20, в результаты чего в эталонную ячейку будет записан сигнал логической единицы.
Биты одного информационного слова записываются в информационные ячейки, тороидоподобные элементы 14 которых подмагничиваются одной токопроводящей шиной 15, так как в этом случае возможно обеспечить запись и считывание всех W битов слова одновременно за один такт, при этом L = W. Если длина слова W достаточно велика, то его образуют путем логического объединения нескольких строк L одной или нескольких матриц 13 памяти.
Считывание информации осуществляется следующим образом.
Сигнал с выхода генератора 19 сигналов поступает на сигнальный вход БФТП 20, где в соответствии с одним из К адресов, поступивших с первых выходов дешифратора 23 адреса, формируются К выходных сигналов, поступающих на соответствующие токопроводящие подмагничивающие шины 15 информационных ячеек памяти, и выходной сигнал, поступающий на токопроводящую подмагничивающую шину 15 эталонной ячейки памяти. В результате на тороидоподобные элементы 14 информационных ячеек памяти и на тороидоподобный элемент 17 эталонной ячейки памяти воздействуют переменным подмагничивающим полем.
В блоке 24 детектирующих устройств фазы сигналов, поступивших па соответствующие его входы от каких-либо или всех К х L информационных ячеек памяти, сравниваются с фазой сигнала, поступившего от эталонной ячейки памяти. Продетектированные сигналы поступают с выходов блока 24 детектирующих устройств на информационные входы электронного блока 25 управления, где определяется значение записанной в информационную ячейку памяти единицы информации.
Формирование кодов адреса, сигналов данных и сигналов управления осуществляется в электронном блоке 25 управления по командам, поступающим с соответствующих выходов и входов-выходов контроллера 26.
Процесс считывания информации показан на временных диаграммах (фиг. 17 и фиг. 18). На фиг. 17 обозначены: 1 - сигнал на выходе генератора сигналов, 2 - сигнал на выходе информационной ячейки памяти, находящейся в единичном состоянии, 3 - сигнал на выходе эталонной ячейки памяти, 4 - сигнал на выходе блока детектирующих устройств. На фиг. 18 обозначены: 1 - сигнал на выходе генератора сигналов, 2 - сигнал па выходе информационной ячейки памяти, находящейся в нулевом состоянии, 3 - сигнал на выходе эталонной ячейки памяти, 4 - сигнал на выходе блока детектирующих устройств.
Предлагаемый способ тороидной записи и считывания информации и устройства для его осуществления позволяют создать твердотельноe устройство памяти с произвольным доступом, имеющее многослойную структуру с плотностью записи до 100 Мбит/см2 в каждом слое, обладающее энергонезависимостью и долговечностью хранения информации. Устройство памяти обеспечивает неограниченное число циклов записи и считывания информации при скорости считывания 10-100 Гбайт/сек, тактовой частоте 100-1000 МГц и времени доступа менее 10 нс. Кроме того, твердотельное устройство памяти имеет малую мощность рассеяния - 100 мВт и обладает стойкостью к различным внешним воздействиям (радиационным, температурным, электрическим).
Вышеуказанное обеспечивает изобретению большое практическое применение и позволяет создать новый класс устройств магнитной памяти - MTRAM.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| СПОСОБ ТОРОИДНОЙ ЗАПИСИ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ | 1993 |
|
RU2114466C1 |
| УСТРОЙСТВО ПОДПОВЕРХНОСТНОГО РАДИОЛОКАЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ | 1998 |
|
RU2138064C1 |
| УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОБЪЕКТА | 1998 |
|
RU2156453C1 |
| УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ПОЛУЧЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ В ТЕПЛОВОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА | 1998 |
|
RU2150725C1 |
| МУЛЬТИПЛЕКСОР | 1998 |
|
RU2150770C1 |
| СВЧ ФИЛЬТР | 1998 |
|
RU2150769C1 |
| УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАСПОЗНАВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ ОБЪЕКТА | 1992 |
|
RU2054196C1 |
| УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ПАМЯТЬЮ | 1993 |
|
RU2037874C1 |
| Устройство для отображения информации на экране газоразрядной индикаторной панели | 1985 |
|
SU1361536A1 |
| Электронная вычислительная машина | 1988 |
|
SU1520533A1 |
Изобретение относится к области магнитной записи и предназначено для работы с большими массивами данных и в других электронных устройствах. Из сформированных из магнитного материала тороидоподобных конфигураций организуют структуры, состоящие из информационной и эталонной конфигураций, имеющих замкнутый магнитный поток определенного направления закрученности. При записи альтернативной информации изменяют направление закрученности замкнутого магнитного потока в соответствующих информационных конфигурациях, воздействуя согласованными по времени и величине взаимопересекающимися подмагничивающим и перемагничивающим переменными магнитными полями. При считывании информации воздействуют на информационную и эталонную конфигурации переменным подмагничивающим полем, после чего детектируют выходные сигналы и по характеру их откликов определяют значение записанной в информационную конфигурацию единицы информации. Ячейка памяти содержит тороидоподобный элемент, в котором создается вихревое магнитное поле. Вне тороидоподобного элемента расположена подмагничивающая шина, создающая в нем магнитное поле, поперечное по отношению к вихревому. Технический результат изобретения заключается в возможности создания устройства памяти с произвольным доступом, имеющего многослойную структуру с плотностью записи до 100 Мбит/см2 в слое, обладающего энергонезависимостью и долговечностью хранения информации. 3 с. и 12 з.п.ф-лы, 18 ил.
| СПОСОБ ТОРОИДНОЙ ЗАПИСИ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ | 1993 |
|
RU2114466C1 |
| СПОСОБ МАГНИТНОЙ ЗАПИСИ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ С НОСИТЕЛЯ МАГНИТНОЙ ЗАПИСИ | 1991 |
|
RU2034337C1 |
| US 3675224 A, 04.07.1972 | |||
| Токоподводящее устройство для гальванической ванны | 1985 |
|
SU1258894A1 |
| Устройство для ударного бурения с двигателем внутреннего сгорания | 1982 |
|
SU1051257A1 |
| GB 1147349 A, 02.04.1969. | |||
