Referat Magnetblasenspeicher - Was sind Magnetblasen?

Magnetblasenspeicher

Magnetblasenspeicher sind Speicher, die in Geschwindigkeit und Preis  pro Bit zwischen Halbleiter- und Plattenspeichern liegen. Ihr Vorteil gegenüber Plattenspeichern ist, daa sie den geringen Preis bereits bei kleineren Speichergrößen (einige 100 kB) bieten, wohingegen Plattenspeicher erst bei großen Speicherkapazitäten (über 100 MB) ein günstiges Preis- Leistungs-Verhältnis, da bei ihnen die Mechanik das Teure ist, und diese bei steigender Speicherkapazität kaum mehr komplexer wird.

Bild 1 Preis pro Bit über Zugriffszeit

1 Was sind Magnetblasen?

Magnetblasen sind zylindrische Bereiche von umgekehrter Magnetisierung in einer dünnen Schicht spezieller magnetischer Materialien. Diese Magnetblasen können, wie in Bild 2 gezeigt, isoliert auftreten, sodaa ihre natürliche Wechselwirkung für die meisten praktischen Anwendungen vernachläßigt werden kann.    Im allgemeinen (ohne zusätzliche Maßnahmen) treten sie aber, wie in Bild 3 dargestellt, gedrängt auf.

Voraussetzung für das Existieren von Magnetblasen ist ein Magnetfeld, das im rechten Winkel zur Blasenschicht liegt. Bei einer so orientierten Magnetisierung           ist aber die magnetische Energie höher, als wenn die Schicht in 'Längsrichtung' magnetisiert wäre. Deshalb würde die

Magnetisierung dazu tendieren, in die Ebene zu kollabieren. Um das zu vermeiden, müssen die Materialien in denen Magnetblasen bestehen sollen, eine magnetische Vorzugsrichtung im rechten Winkel zur Ebene besitzen.

Bild 2 Isolierte Magnetblasen in einer dünnen Schicht

Bild 3 Gedrängte Magnetblasen

Auch wenn die Vorzugsrichtung ausreichend ausgeprägt ist und die Magnetisierung im rechten Winkel zur Schicht liegt, wird die Schicht dazu tendieren, eine Struktur auszubilden, bei der etwa gleich große Gebiete in den beiden Richtungen magnetisiert sind. Eine derartige Struktur sind z.B. die

gedrängten Magnetblasen wie in Bild 3. Eine andere derartige

Struktur sind serpentinförmige Streifen wie in Bild

Bild 4 Serpentinförmige Streifen

Diese beiden Strukturen sind in einer guten Magnetblasenschicht ohne zusätzliche Magnetfelder stabil. Isolierte Magnetblasen wie in Bild 1 erfordern jedoch eine Vormagnetisierung um stabil zu sein. Dieses Feld (HB), das in Richtung der Magnetisierung in der Schicht außerhalb der Magnetblasen orientiert sein muß, stabilisiert die überwiegende Magnetisierung in dieser Richtung.

Bild 5 Vormagnetisierung

Wenn HB zu weit reduziert wird, explodieren die isolierten Magnetblasen zur Serpentinenstruktur von Bild Die Feldstärke, bei dieses eintritt, wird strip-out Feld genannt. Andererseits würde bei zu starker Erhöhung der Vormagnetisierung das Megnetfeld außerhalb der Magnetblasen

zu stark bevorzugt werden, und oberhalb eines kritischen Feldes würden die Magnetblasen kollabieren. Innerhalb dieser Grenzen ist die Vormagnetisierung frei wählbar, wobei hierbei die Magnetblasengröße variiert (Bild 5).

In diesem Zusammenhang möchte ich kurz auf die Größe von Magnetblasen eingehen. Abhängig vom verwendeten Material haben die Magnetblasen Durchmesser zwischen von 0 - 500 um.

2 Manipulieren von Magnetblasen

Um Magnetblasen in aktiven Einrichtungen verwenden zu können, mua es möglich sein, Magnetblasen zu erzeugen, bewegen, detektieren und zerstören.

Man kann Magnetblasen auf zwei verschiedene Arten erzeugen. Die eine ist ein lokales Magnetfeld zu erzeugen, das stark genug ist, die Magnetisierung umzukehren. Die zweite Möglichkeit           ist, von einer Mutterblase eine zweite abzuspalten.

Das kann man durch Strecken der Mutterblase und Anlegen eines lokalen Magnetfeldes zum Abspalten der zweiten Blase erreichen. Das Magnetfeld zum Abspalten            ist um

mehrere Größenordnungen kleiner als das Magnetfeld zum Erzeugen einer neuen Magnetblase. Die lokalen Magnetfelder können durch einen Strom durch Leiterbahnen auf der Oberfläche der Magnetschicht erzeugt werden.

Zerstört können Magnetblasen durch den umgekehrten Vorgang werden. Sie können entweder mit einer zweiten Magnetblase verschmolzen werden, oder es wird ein lokales Magnetfeld angelegt, das die Magnetblase zum Kollabieren bringt. Magnetblasen können durch einen Gradienten im Vormagnetisierungsfeld bewegt werden.

Wenn im Vormagnetisierungsfeld ein Gradient entlang der magnetischen Schicht vorliegt, so wird sich die Magnetblase zum Gebiet der geringeren Vormagnetisierung bewegen, weil das Vormagnetisierungsfeld entgegengesetzt zur Magnetisierung der Magnetblasen orientiert ist, und die magnetische Energie durch

die Bewegung reduziert wird. Der Gradient im Vormagnetisierungsfeld kann wiederum durch einen Strom durch eine Leiterbahn auf der Oberfläche der Magnetschicht erzeugt werden. Kontinuierliche Bewegung kann durch fortlaufendes Pulsen eines Gitters von Leiterbahnen erzeugt werden. In den üblichen Geräten wird die Fortbewegung jedoch durch Einkoppeln eines rotierenden, in der Ebene liegenden Feldes in eine Reihe von Elementen aus Permalloy durchgeführt. Die ersten erfolgreichen Muster waren aus T- und I-Elementen (Bild

6).

Bild 6 Bewegungsstruktur aus TI-Elementen

Wie Bild 7 zeigt, wird die Magnetblase bei nach rechts

zeigendem Rotationsfeld Hip zum linken Ende des Balkens vom T

gezogen, und bleibt dort an einem Energieminimum. Mit dem

weiterdrehenden Feld bewegt sich die Magnetblase entlang des

Balkens von T, springt zum I-Element und weiter zum nächsten

T.

Bild 7 Bewegungssequenz mit TI-Elementen

Die TI-Elemente    sind auf der magnetischen Schicht mit einer dünnen Zwischenlage aus Quarz aufgebracht.

Die Fortbewegungsgeschwindigkeit der Magnetblasen hängt von den dynamischen Eigenschaften der Blasen ebenso wie von Größe und Frequenz des rotierenden Feldes ab. Derartige Magnetblasensysteme werden üblicherweise mit Frequenzen

zwischen 0,1 und 1 MHz betrieben.

Die Detektion von Magnetblasen wird in der Praxis

elektronisch durch eine Widerstandsänderung in einem magnetisch

empfindlichen Widerstandsstreifen, der auf der magnetischen

Schicht aufgebracht ist, durchgeführt. Um Magnetblasen in der

Forschung an beliebigen Positionen beobachten zu können,

werden magnetooptische Methoden verwendet. Wenn die

magnetische Schicht mit polarisiertem Licht beleuchtet ist,

erzeugt die umgekehrte Magnetisierung der Magnetblasen eine

lokale Rotation. Diese Rotation kann mit geeigneten Filtern

erkannt werden.

Für die praktische Anwendung mua eine Möglichkeit zum

Schalten gegeben sein. Die Magnetblasen können hierbei mit

Permalloy-Schalter-Konfigurationen, die durch einen

elektrischen Strom in einem Leiter über den Schalter

kontrolliert werden, individuell in verschiedene Bahnen

gelenkt werden. Manche Schalter lenken hierbei die

Magnetblase vollständig auf einen anderen Weg, andere spalten

eine Tochter von der Magnetblase, während sich die Mutterblase

auf ihrem ursprünglichen Weg weiterbewegt.

Bild 8 Spaltender Schalter

Bild 8 zeigt einen derartigen spaltenden Schalter. Wenn die Magnetblase den Schalter passiert, streckt sie sich naturgemäa etwas, und wenn der Strom in der Kontrollschleife eingeschaltet ist, teilt sich die Magnetblase und ein Teil wird Pfad 3 folgen, während sich der andere auf Pfad 2 weiterbewegt. Die normale Fortbewegung (bei ausgeschaltetem Strom) erfolgt über Pfad 2.

3 Ausführung des Magnetblasenspeichers

Bild 9 Magnetblasenspeicher

Bild      9 zeigt einen typischen Magnetblasenspeicher. Er wurde entwickelt von den Bell Telephone Laboratories, um vier Speicherchips aufzunehmen. Zum Zeitpunkt der Vorstellung der Chips hatte jeder eine Speicherfähigkeit von 68 kBit, aber dasselbe Modul kann Chips mit größerer Speicherfähigkeit aufnehmen. Die vier Chips sind umgeben von Elementen, die die nötigen Magnetfelder erzeugen.

Zwei Spulen, eine innere und eine äußere, erzeugen das Rotationsfeld. Ein Permanentmagnet erzeugt das Vormagnetisierungsfeld, welches sowohl im ein- als auch im ausgeschaltetem Zustand vorhanden ist, wodurch die gespeicherte Information erhalten wird. Dieser Grundaufbau ist kennzeichnend für alle Magnetblasensysteme. Die Chips selbst können auf verschiedene Arten organisiert sein. Die eine Art, die relativ raschen Zugriff ermöglicht, wird in Bild 10 dargestellt. Eine derartige Organisation wird     als MAJOR/MINOR LOOP Organisation bezeichnet.

Die Information wird hierbei zunächst auf die WRITE MAJOR LOOP gebracht. Die WRITE GATES lassen, wenn sie angesprochen sind, ein Bit von der WRITE MAJOR LOOP in die entsprechende MINOR LOOP. Zum Lesen dieser Sequenz werden die READ GATES angesprochen, wenn die Information in den MINOR LOOPs die entsprechende Position erreicht hat. Auf der READ MAJOR LOOP gelangen die Magnetblasen zum Detektor, bei dem das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein (entspricht Bit gesetzt oder gelöscht) der Magnetblase festgestellt wird. Die mittlere Zugriffszeit auf ein Bit ist hierbei die halbe Zeit, die für einen Durchgang der MINOR LOOP benötigt wird plus der Transferzeit zum Detektor. Eine andere Organisationsmöglichkeit wären einfache Schieberegister,             wo die Magnetblasen einfach durch ein langes Schieberegister geschoben werden. Diese Organisation benötigt keine Schalter und ist damit vom Aufbau her einfacher, hat aber wesentlich längere Zugriffszeiten.

Bild 10 Schematischer Aufbau eines 68 kBit Chips

Bild 11 Experimenteller Magnetblasenspeicher

Da ein 68 kBit Chip zu groa ist, um im Detail gezeigt zu werden, möchte ich hier einen kleiner experimentellen Magnetblasenspeicher zeigen. Der gezeigte Teil beinhaltet zwölf 20 Bit MINOR LOOPs. Man kann auf diesem Bild von links nach rechts folgende Steuerleitungen erkennen:

- Generatorsteuerleitung

- Steuerleitung der WRITE GATES

- Steuerleitung der READ GATES

- Detektorleitung

Das große Gebilde auf der rechten Seite ist eine Sektion, in der die Magnetblase vergrößert wird, sodaa sie leichter detektiert werden kann.

Dieser Magnetblasenspeicher ist mit anderen als den TI- Elementen, nämlich mit asymmetrischen Chevron-Elementen aufgebaut.

Zum Abschlua möchte ich noch einige allgemein verwendbare Speichereinheiten auf Magnetblasenbasis beschreiben, um die Möglichkeiten und Abmessungen zu demonstrieren.

Die ersten Speichereinheiten wurden von der Firma Bell Telephone Laboratories gebaut.          Diese haben zwei Substrate, von denen jedes 14 64 kBit-Chips beinhaltet, womit sich eine Gesamtkapazität von etwa 5 MB ergibt. Bei einer Frequenz von

100kHz haben sie eine Zugriffszeit von 2 ms und einen

Datenflua von 0 MB/s.

Rockwell International stellte 100kBit Chips vor, die aus

einem langen Schieberegister aufgebaut sind. Es sind hier 8

derartige Chips in einem Modul, womit 100kB

Speicherfähigkeit erreicht werden. Die Abmessungen dieser

Module sind 11,5x19x3,8 cm und sie wiegen 1,14kg.

Hitachi stellte eine Konfiguration mit 4 256 kBit-Chips vor,

die zu einer 1MBit Einheit vereinigt sind, und auf einer

18x15cm Grundplatte montiert sind. Diese Speichereinheit kommt

mit einer 5V Versorgung aus.