Feritová paměť

V operačních pamětech počítačů se používá prstencových feritových jader ve tvaru toroidů, jejichž kruhovým otvorem procházejí čtyři vodiče X, Y, Z a S. Fyzikální podstata paměťové funkce feritových jader [1] vyplývá z jejich téměř pravoúhlé hysterezní křivky - viz obr. vlevo.

Pokud součet proudů I_x+I_y protékajících vodiči X a Y nabude hodnoty I_m, schopné dosáhnout v jádře intenzity magnetického pole H větší, než je intenzita nasycení H_s (resp. -H_s), pak v závislosti na výchozím směru magnetické indukce B a na polaritě protékajících proudů může dojít k překlopení magnetizace do opačného směru. Oba alternativní směry toku magnetického pole reprezentují paměťové stavy 0 a 1.

Každý přístup do paměťové buňky, ať už se jedná o přečtení jejího stávajícího logického stavu, či o záznam stavu nového, tvoří tzv. paměťový cyklus, který je složen z fáze čtení a fáze zápisu.

Fáze čtení

Proces čtení lze ilustrovat na vedlejším obrázku. U vybraného (adresovaného) jádra protečou vodiči X a Y současně proudy téže (záporné) polarity o velikosti I_x=I_y= I_m /2. Pokud bylo jádro ve stavu 1, jejich součet I_x+I_y= I_m postačí na překlopení jádra do stavu 0. Při této skokové změně hodnoty magnetické indukce B je ve čtecím vodiči S indukován napěťový impuls U_s. Zpoždění vrcholu tohoto impulsu t_L proti náběžné hraně impulzu čtecího proudu se nazývá paměťová latence. Pokud bylo jádro ve stavu 0, magnetická indukce B se nezmění a žádný impuls generován nebude.

Důležité je, že bez ohledu na původní stav jádra výsledkem fáze čtení je překlopení adresovaného jádra do stavu 0. Jde tedy o operaci destruktivní, takže dříve, než se stav datového registru z jakéhokoli důvodu změní, pak v případě, že původní stav buňky byl 1, je nutné tento stav obnovit (znovu zapsat).    

Pro realizaci základní jednotky počítače, pracující s operační pamětí w slov o délce k bitů, je zapotřebí w×k feritových jader, uspořádaných do řady vrstev, jejichž počet k odpovídá délce slova. Každá z těchto vrstev je tvořena čtvercovou sítí vzájemně propojených feritových jader, jejichž počet w je obvykle sudou mocninou dvou. Nejčastěji jde o 2⁸=256, nebo 2¹⁰=1024 jader.

Na obrázku vpravo je fotografie jedné z desek (vrstev) bloku feritové paměti, užité v 1024-kanálovém analyzátoru gama záření, vyrobeného koncem šedesátých let 20. stol. v Ústavu jaderného výzkumu ČSAV v Řeži (viz obrázek v úvodu článku). Desku dodala na zakázku ÚJV šumperská firma Pramet, která byla v tehdejší době jediným českým výrobcem součástek z magneticky měkkých i tvrdých feritů. Velikost ručně vypletených desek je 225×225mm. Vnější průměr každého ze 32×32=1024 feritových jader, která se ve vrstvě nacházejí, je 2mm[2]. Jak je patrné z detailního pohledu přiloženou lupou, jsou jádra vzájemně propojena do maticové sítě, tvořené vodorovně a svisle protaženými vodiči X a Y, šikmo k nim pak vodiči Z a S. Schematicky je toto síťové propojení znázorněno na obrázku vlevo.

Adresa slova, které má být přečteno nebo zapsáno, je vložena z CPU počítače do adresového registru. Na dolním blokovém schématu je zobrazen desetibitový registr, logicky rozdělený na dvě pětibitové části, připojené k B-D (binárně dekadickým) konvertorům^(anglicky), které převádějí binární obsah adresového registru na dvojici čísel X a Y. Na průsečíku jim přiřazených vodičů leží v každé ze všech k vrstev paměťového bloku jádro, které odpovídá některému z k bitů (D_m) datového registru D, obsahujícího adresované slovo. Jednotka TG zajišťuje správnou délku a polaritu proudových impulzů v obou fázích paměťového cyklu. Délka generovaných impulzů je řádově jednotky mikrosekund.

Na blokovém schématu vlevo jsou prvky společné celému paměťovému modulu zobrazeny červeně, zatímco prvky patřící jen k jedné z vrstev jsou modré.

Jak vyplývá z popisu paměťového cyklu, je vodič S využíván jen k detekci přechodu buňky ze stavu 1 do stavu 0, tedy pouze ve fázi čtecí. Vodič Z je využíván k zákazu přechodu jádra ze stavu 0 do stavu 1, k němuž dochází naopak pouze ve fázi zápisu. Tím je umožněno využít pro obě funkce fyzicky jednoho a téhož vodiče. Snížení počtu vodičů ze 4 na 3 vede k tomu, že pracné vyplétání desky se výrazně zjednoduší. V takovém případě přibude v blokovém schématu zeleně označený obvod P, kterým se funkce společného vodiče Z/S mezi fází čtecí a fází zápisovou přepínají.

První úvahy o tom, jak využít pravoúhlou hysterezní smyčku některých ferromagnetických materiálů pro realizaci pamětí, se datují do roku 1945. Za autory této myšlenky jsou pokládání J. Presper Eckert a Jeffrey Chuan Chu z pensylvánské univerzity Moore School, kteří se v té době podíleli na utajovaném vývoji počítače ENIAC[3]. První patent na zařízení, využívající paměťových vlastností feritových jader, byl udělen v roce 1947 dvěma americkým fyzikům čínského původu, kterými byli An Wang a Way-Dong Woo. Nejednalo se ještě o paměť v dnešním slova smyslu, ale o obvod zvaný posuvný registr, používající tehdy dvou feritových jader na jeden bit. Obvod je dosud vystaven v kalifornském Muzeu historie počítačů.

Použití feritových jader jako prvků operačních pamětí umožnily dva důležité vynálezy z roku 1951. Prvním bylo rozdělení přístupu do paměti na shora popsané fáze čtení a zápisu, jehož autorem byl již zmíněný An Wang. Druhým vynálezem klíčového významu, jehož držitelem se stal Jay Wright Forrester, byl koincidenční přístup k individuálním jádrům, založený na rozdělení magnetizačního proudu I_m do shora zmíněných složek I_m/2, protékajících vodiči X, Y a Z.

V roce 1953 let byla první prakticky použitelná feritová paměť o kapacitě (32×32) 16bitových slov s dobou přístupu 9μs instalována na počítači Whirlwind I, vyvinutém v MIT pro americké námořnictvo. Patent na tuto feritovou paměť získal zmíněný Jay Wright Forrester, a to na základě funkčního modelu, kterým byla matice 32 feritových jader Φ9mm.

Během dlouhého období mezi léty 1955 a 1975 byla feritová paměť v několika patentovaných (nebo patenty různě obcházejících) verzích používána v převážné většině vyráběných počítačů, mnohokanálových analyzátorů a v dalších elektronických zařízeních.

• Obrázky, zvuky či videa k tématu feritová paměť na Wikimedia Commons