Mágneses adattárolás: Mágnesszalag, ferritgyűrű, buborékmemória ÁDÁM PÉTER ANYAGTUDOMÁNY MSC BUDAPEST, 2015.04.22.
Miről is lesz szó? 2
Mágnesszalag- Rég- és közelmúlt - Vissza a jövőbe : 3
Mágnesszalag- Rég- és közelmúlt Egy kis történelem: - 1951-ben UNIVAC-I : Az első mágnesszalagos adattárolás - 1952-ben IBM -726-os tároló rendszer (2.3 MB) - később a IBM-TS1140 (4TB) - 1984: IBM-3840-Magnetic Tape Subsystem /ellenálló kivitel/ - 1992: IBM-3495-Tape Library Dataserver /komplett rendszer/ - 1993: IBM-3590-Magstar Tape Subsystem /12x nagyobb kap. -> 60 GB/ 4
Mágnesszalag- Rég- és közelmúlt - 2000: IBM-LTO technológia, 100GB /linear-tape open/ - 2006: IBM-Virtualization Engine TS7700-2010: Linear Tape File System /drag & drop techn./ - 2011: IBM-TS1140 5
Mágnesszalag- Rég- és közelmúlt 6
Mágnesszalag- Rég- és közelmúlt LK-4 es magnókazettás egység 7
8 Mágnesszalag- Rég- és közelmúlt SLK- kazettás előkészítő és EK-9006-os konverter
Mágnesszalag- Rég- és közelmúlt Komplett adatfeldolgozó rendszer 9
Mágnesszalag- Rég- és közelmúlt 10
11 Mágneses adatrögzítés alapelve Az adatrögzítés elve: Alap: megfelelő adathordozón remanens mágneses anyagszerkezeti változás Analóg rögzítés: a remanens indukció nagysága ~ a mágneses anyagban rögzítendő jel nagyságával Az olvasás nem jár veszteséggel, de mozgatni kell az adathordozót Digitális rögzítés: bináris tárolás -> kétféle mágnesezettségi szint A rögzíthető maximális amplitúdójú jelet a telítési indukció nagysága határozza meg #1
12 Mágneses adatrögzítés alapelve Bináris adattárolás: a remanencia vagy annak változása hordozza az információt MENETSZÁM Az olvasott feszültség: U = N dφ dt Digitális jelrögzítés: FLUXUS Többféle elv, szempontok: elérhető írássűrűség, író/olvasó áramkör bonyolultsága, a rendszer megbízhatósága, író/olvasófej gyárthatósága stb. Nullára visszatérő (RZ) & Alapra visszatérő (RB) elvek #3 -> írófej tekercsbe n-ben folyó áram (~mágnesezettség) vs. Olvasófej tekercsben feszültség
Mágneses adatrögzítés alapelve -> viszonylag alacsony jelrögzítési sűrűség: 10 bit / mm Nullára nem visszatérő (NRZ) & Nullára nem visszatérő impulzus (NRZI) #4 -> remanencia változás csak a bináris értékek váltásakor -> az információ meghatározható a vissza olvasott jel polarizációjából -> NRZI-nél az íróáram iránya csak akkor változik, ha 1-et írunk, 0-nál változatlan marad van -> az információ azonosításánál a kapujel szinkronizálására szükség -> elérhető írássűrűség: 20-40 bit / mm 13
Mágneses adatrögzítés alapelve Frekvencia modulált (FM) & Fázis modulált (PM) rögzítési elv #5 -> PM esetében az olvasott fesz. polaritása alapján az információ egyértelműen azonosítható /1-> +, 0-> - /, FM-nél nem -> megbízhatóbb jelolvasás, jelsűrűség: 70 bit / mm Analóg rögzítésnél a régi inf. törölni kell, ha újra akarunk írni, digitálisnál nem, kivéve RZ Írás-olvasás, így az olvasás-törlés-írás egy fejjel is lehet, de zajcsökkentés, megbízhatóság -> 2/3 fejesek /2: törlő+író-olvasó/ Legelterjedtebbek: több fej-több csatorna /ált 7-9/ 14
Mágneses adatrögzítés alapelve Író-olvasó fej: Megfelelő elektromos és mechanikai paraméterekkel rendelkező tekercsvasmag ( ferrit vagy ötvözet(e) ) #6 Legelterjedtebb a hosszirányú rögzítés -> nagy felbontóképesség és jelsűrűség, kis pályaszélesség /magnó/: ez a felbontóképességet nem bef. Vasmag: Ni-Fe ötvözet(permaolly)-> nagy írássűrűség: Ni/Mn-ferrit Lemezek vastagsága: 20-100 μm Betét: fém (Be, bronz, Cu, Al és ötvözeteik), műanyag, üveg, csillám -> légrés, tulajdonságok! 15
16 Mágneses adatrögzítés alapelve Megfelelő árnyékolás: egyéb zavaró mág. terek ellen -> motor, trafó stb. #7 A fejben ébredő fesz. függ a fluxus vált. sebességétől #8 -> a feszültséget a résben ébredő fluxus változás okozza -> ha a légrés szélesség = a jel hullámhosszával, akkor A = 0 #9 Maximális frekvencia: f max = v felület /l légrés -> a felhasználásra kerülő frekvenciahatár < fmax Olvasott feszültség értékek: résszélesség / hullámhossz #10 A két olvasófej közötti távolsággal csökken az amplitúdó #11
Mágnesszalagos tárak Változatos, többirányú kommunikációs -> több funkciójú tárolás #12 Csatorna: adattovábbítás, ellenőrzés, vezérlőjelek, utasítások generálása továbbítása -> egy csat.-hoz több kontroller -> egy kontr.-hez több MSZ(1-16) MSZ: kétirányú szalagmozgatás, írás-olvasás, jelek erősítése, formálás -> Szalagmozgató mechanizmus egy kritikus pont: -> szorítógörgős (pl.: magnók) -> vákuumgörgős 17
18 Adattárolás mágnesszalagon Információ tárolás tömbökben -> rekordok (min-max között változó információ mennyiség/szó.) változó hosszúságú rekordok Rekordok azonosítás: 1, rekordpozíció alapján, 2, rekordcím alapján Mágnesszalag elején és végén BOT-EOT markerek #13 Adattárolási fogalmak: karakter, nyom, rekord, fájl, karakterparitás, ellenőrzőkarakter #14 Információ elhelyezés bináris kódolással #15
A mágnesszalag felépítése Ált.: mágnesezhető réteg hajlékony műanyag fólián, mely anyaga: acetilcellulóz, PÉ, PE, PVC -> de Scotch 3M: Mylar alapanyag DuPont PVC-je (régen) A mágnesezhető anyagot nem mágnesezhető hordózó anyagba diszpergálva viszik fel (műgyanta) Szalag felületének hiszterézis göbéje eltér Legtöbbször a szalagnak kitüntetett mágneses iránya van -> négyszögletesebb hiszetrézis görbe, kisebb lemágneseződés #16 Optimális: irányított mágnesezettség, nagy rétegvastagság, nagy térfogat kitöltésű mágneses réteg 19
A mágnesszalag felépítése 20
Mágnesszalag mozgató egységek 21
Mágnesszalag vezérlő egységek 22
Mágnesszalag vezérlő egységek 23
A jövő 24
Ferritgyűrűs adattárolás 25
Ferritgyűrűs adattárolás Történelem: Alapkoncepció: valamit lehetne kezdeni a mág. hiszterézis görbével 1947: elektromos relékből felépülő áramkörök 1940: mágneses magok számítógépes memóriaként -> Jay Forrest 1953: Harvard-> Forgószél : 32x32x16 bit-es core-memory Siker: előnyök -> 1, nagyobb megbízhatóság 2, rövidebb elérési idő (9 ms), míg a csöves 25 ms #17 Szabadalmi viták->->-> előnyös RAM-ként való használata (V200-as) 26
Ferritgyűrűs adattárolás Működésének fizikai alapja: Magas mágneses remanencia és alacsony koercitivitás Kikapcsoláskor/áramtalanításakor megmarad az információ! Mágnesezhető kerámiagyűrű polaritása hordozza az információt Ferromágneses anyag felmágnesezése, ellenkező irányú árammal átmágnesezés #18 Írás: Az írás/olvasás 1 db vezetékkel is megoldható > de bonyolult több bit esetén: mátrixos elrendezés #19 27
28 Ferritgyűrűs adattárolás Mágnesezhető gyűrűk-> függőleges és vízszintes vezetővonalak vagy 3D-ben 3 vezető Írás/olvasás a vezetők metszéspontjában 1 bit írásához elegendő áram fele /2D-ben/ folyik 1 vezetékben! így nem gerjesztünk túl másik gyűrűt #20 Olvasás: Vizsgáló ruti: újbóli írási kísérletre változik e a tároló cella állapota, azaz az olvasó vezetéken jelentkezik e indukált feszültség A cella állapota felülíródik -> a rutinnak vissza kell állítani az eredeti állapotot
Ferritgyűrűs adattárolás Kialakítás fejlesztése: Rezgéscsillapító: gyanta, lakk, gél lakk 1 négyzetmilliméteren 1 gyűrű -> akkoriban nagy adatsűrűség Általánosan: 16x16-os és 32x32-es kialakítás Olvasóvonal nélkül: 8x32, 16x64, 16x128 Core-rope-memory (ROM) -> Apolló-program 29
Buborékmemóriás adattárolás 30
Buborékmemóriás adattárolás Történelem: 1962 Bell Laboratory / Adrew Bobeck 1980-as évek eleje új techn. melynek memória sebessége összehasonlítható a merevlemezekével, de telj. ~ a ferritgyűrűjével Félvezető memóriák térhódítása -> rendkívül gyors fejlődés Főleg ott használták, ahol előnyös volt, hogy nem volt mozgó alkatrész, de -> -> -> később flash memória, illetve félvezető memória és a merevlemez visszaszorította A 80 évek végére teljesen visszaszorult 31
Buborékmemóriás adattárolás Működésének alapja Paul Charles Michaelis -> mágneses vékonyrétegek /mágneses domének ortogonális irányítottsága/ Anizotropikus mágneses filmek -> mágneses impulzusok -> ortog. terj. Kifelé és befele mutatnak a momentumok -> domén labirintus #20 A terjedés függ a mágnes keménységétől -> izotropikus mág. film Bobeck: mágneses teret kapcsolunk -> a domének szűkülnek egészen kis hengeres (szemből buborék) méretűvé #21 32
Buborékmemóriás adattárolás Működésének alapja 5 stabil kísérleti eredmény melyen a működésük alapul: -> egyfalú permaolly filmekben kontr. 2D-s domén mozgás -> továbbfejlesztés orto-ferrit rétegre -> stabil hengeres domén előállítása -> terület hozzáférési üzemmód -> növekedés indukált egytengelyű anizotrópia gránát rendszerben /végül ez lett a végső megoldás/ #22 33
Hogyan is működik? Buborékmemóriás adattárolás 34
35
IBM-3495-Tape Library Dataserver @ 36
IBM-3590-Magstar Subsystem @ 37
UNIVAC-I @ 38
IBM-3840-Magnetic Tape Subsystem /cartridge/ @ 39
Mágneses telítési görbe #2 40
Indukált jel @ 41
Return to zero & Return to base @ 42
Non return to zero& Non return to zero impulse @ 43
Phase modulation & Frequency modulation @ 44
Hossz és keresztirányú fejrögzítés @ 45
Hossz irányú és több fejből álló blokk @ 46
Fluxus változása és a jel amplitúdó @ 47
A = 0 eset @ 48
Maximális amplitúdók @ 49
Amplitúdó veszteség @ A veszt. = 55 Δd λ Ha írás-olvasáskor a távolság azonos, akkor a veszt. 2x-es 50
Mágnesszalagos kommunikáció @ 51
Mágnesszalag felépítése @ 52
Mágnesszalag - információ tárolása @ 53
Mágnesszalag - bináris adattárolás @ 54
Mágnesszalag mágnesezettség @ 55
Ural-2 @ 56
Mágnesezettség @ 57
Ferritgyűrűs memória-mátrixos elrendezés @ 58
Ferritgyűrűs memória - alaprajz @ 59
60 Buborékmemória @
61 Buborékmemória @
62 Buborékmemória @ Grànàt szerkezetű Y3Ga5O12 egykristàlyra szintén grànàt szerkezetű Gd3Ga5O12 növesztenek epitaxiàlisan