Speicher


Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung 1

2. Magnetplattenspeicher 2

2.1 Mechanischer Aufbau 2
2.1.1 Der Plattenstapel 3
2.1.2 Schreib/Lesekopf 4
2.2 Positionierung 5
2.3 Aufzeichnungsverfahren 9

3. Magnetbandsysteme 11

3.1 Aufbau 11
3.2 Aufzeichnungsverfahren 13
3.2.1 NRZ (No Return Zero) 13
3.2.2 PE (Phase Encoded) 14
3.2.3 GCR (Group Coded Recording) 15

4. Magnetblasenspeicher 17

4.1 Was sind Magnetblasen? 17
4.2 Manipulieren von Magnetblasen 19
4.3 Ausf√ľhrung eines Magnetblasenspeichers 23

Anhang Literaturverzeichnis 27
1. Einleitung

Ich m√∂chte in diesem Referat aufgrund der Tatsache, daa es bereits Referate √ľber dynamische und statische RAMs sowie √ľber ROMs gibt, auf diese nicht mehr eingehen und mich auf Festspeicher konzentrieren.
Hier behandle ich im folgenden Magnetplattenspeicher, wobei ich in erster Linie auf Systeme f√ľr die Gro√ü - EDV eingehe, die aber vom Prinzip und der Technik her derzeit in die PC - Technik √ľbernommen werden.
Magnetbandsysteme werden ebenfalls haupts√§chlich in der Gro√ü - EDV eingesetzt, wobei dieses von den beschriebenen Speichersystemen wahrscheinlich jenes mit der schlechtesten Zukunft ist, da es haupts√§chlich zur Archivierung verwendet wird, und heute in manchen Rechenzentren bereits Magnetplattensysteme daf√ľr verwendet werden.
Der letzte Abschnitt in diesem Referat behandelt Magnetblasenspeicher, wobei ich hier relativ genau auf die Grundlagen eingehe, die ich in den beiden anderen Fällen voraussetze. Sie sind das neueste Speichersystem und derzeit ncoh nicht sehr verbreitet, es wird aber allgemein angenommen, daa sie in Zukunft noch stärkere Verbreitung finden.
2. Magnetplattenspeicher

Sie sind Speichersysteme, die einen relativ schnellen Zugriff auf die Daten ermöglichen, aber auch relativ teuer sind. Man unterscheidet hier zwischen zwei Arten von Plattenlaufwerken:

- Festplattensysteme

- Wechselplattensysteme

Bei ersteren kann man den Plattenstapel nicht mehr austauschen, da sich dieser in einem hermetisch verschlossenen Raum befindet, der sie vor Staub und anderen Arten von Umweltschmutz sch√ľtzt.
Bei zweiteren k√∂nnen die Platten gewechselt werden; sie bieten daf√ľr im allgemeinen pro Plattenstapel eine geringere Speicherf√§higkeit. Zur Verringerung von Umweltschmutzeinfl√ľssen arbeiten sie aber mit Unterdruck in einem ebenfalls sehr gut verschlossenen System, das durch ein Filter mit Luft versorgt wird. Aus diesem Grund darf auch ein Wechseplattensystem w√§hrend des Betriebes nicht ge√∂ffnet werden.
Die Speicherf√§hgkeit von Plattensystmen liegt bei Systemen f√ľr Gro√ürechenanlagen zwischen 144MB (Wechselplatte) und 1,8GB (Festplatte).

2.1 Mechanischer Aufbau













Bild 2.1 Mechanische Baugruppen
Wie man an Bild 2.1 erkennen kann, besteht ein Magnetplattengerät zunächst aus dem eigentlichen Plattenstapel der entweder (bei Wechselplatten) ausgetauscht werden kann, oder aber (bei Festplatten) fest integriert ist. Auf diesen Platten sind die Daten abgelegt; diese werden mit den Datenköpfen, die alle auf einer gemeinsamen Bewegungseinrichtung sitzen, geschrieben und gelesen. Die Bewegung der Schreib/Leseköpfe efolgt meist mit einem Tauchspulmotor der, ähnlich einem Lautsprechersystem, aus einem Permanentmagneten und einer Spule, die mit diesem in magnetische Wechselwirkung tritt, besteht. Der Plattenstapel selbst wird von einem Motor mit Drehzahlen von 2600 bzw. 3400 U/min angetrieben.

2.1.1 Der Plattenstapel















Bild 2.2 Plattenstapel

Der Plattenstapel besteht meistens aus 7 einzelnen Platten, die auf einer gemeinsamen Achse sitzen. Der Plattenstapel ist in Zylinder und Spuren eingeteilt, wobei ein Zylinder aus den 9 √ľbereinanderliegenden Spuren besteht, die durch eine mechanische Positionierung erreicht werden k√∂nnen. Die heute √ľblichen Stapel ben√ľtzen dabei 823 Zylinder, die von au√üen nach innen durchnumeriert sind, wobei die innersten Zylinder als sogenannte Ersatzzylinder verwendet werden, die nur dann zur Speicherung verwendet werden, wenn auf einem der √§u√üeren Zylinder ein Defekt auftritt, d.h. keine Speicherung m√∂glich ist.
Eine der Ebenen ist dabei f√ľr die Positionierung reserviert. Auf dieser Ebene sind nur die Spursignale aufmagnetisiert, die bereits vom Hersteller geschrieben werden, und bei deren L√∂schung die Platte unbrauchbar wird, weshalb der sie abtastende Kopf ein reiner Lesekopf ist.

2.1.2 Schreib/Lesekopf

Da es bei einem System wo der Schreib/Lesekopf auf der Speicherebene schleift, wie es bei Audiotonb√§ndern aber auch bei Floppy Disks der Fall ist, bei den in der Magnetplattentechnik √ľblichen Drehzahlen zu unzumutbaren Abm√ľtzungen sowohl der Speicheroberfl√§che als auch des Kopfes kommen w√ľrde, musste bei den Magnetplattensystemen nach einer neuen Methode gesucht werden.



















Bild 2.3 Schreib/Lesekopf

Der Ausweg war hier, daa man den Magnetkopf so gestaltet, daa er aerodynamisch wirksam wird. Damit erreicht man in Zusammenhang mit den hohen Drehzahlen, daa der Magnetkopf in einer geringen H√∂he √ľber der Plattenoberfl√§che fliegt. Die Flugh√∂he betr√§gt hierbei etwa 0,5 bis 1um.
Diese Flugh√∂he wird durch ein Gleichgewicht der Kraft der Befestigungsfeder und des Aerodynamischen Auftriebes des Kopfes erreicht. Da zum Flug des Kopfes bereits eine gewisse Drehzahl vorhanden sein muss, und dieser bei einer Landung besch√§digt w√ľrde, m√ľssen hier spezielle Ma√ünahmen f√ľr den Anlauf und das Abschalten getroffen werden. Beim Anlauf tastet hier ein Sensor die Drehgeschwindigkeit der Platte ab, und erst nach dem √úberschreiten einer bestimmeten Drehzahl werden die K√∂pfe von ihrer Ruheauflage auf die Platte bewegt. Beim Abschalten sorgt eine Kondensatorbatterie daf√ľr, daa auf jeden Fall noch gen√ľgend Energie vorhanden ist, um die K√∂pfe auf die Auflagen zu bewegen.















Bild 2.4 Größenverhältnisse

2.2 Positionierung

Hier mua man genaugenommen zwei Arten von Plattenlaufwerken unterscheiden: einmal jene f√ľr Minicomputer und Mainframes und jene f√ľr PCs, die im Prinzip gleich arbeiten jedoch im allgemeinen anders Positionieren.
Um zunächst einmal auf zweitere zu sprechen zu kommen: Diese haben keine eigene Servoplatte, sondern arbeiten, ähnlich wie Floppys mit Schrittmotoren. Dadurch sind sie zwangsläufig etwas langsamer und ungenauer, als die größeren Plattensysteme, die mit einer Servoplatte und einem Tauchspulmotor arbeiten. Die weitere Beschreibung wird sich auf letztere Systeme beziehen.
Hier ist, wie bereits erw√§hnt eine Plattenebene f√ľr die Spursignale reserviert. Auf dieser Ebene ist die Platte vom Hersteller mit Servoinformationen beschrieben. Von diesen Servoinformationen wird abgeleitet:

- TRACK SERVO Signal, das den Abstand der Köpfe von der Spurmit tellinie angibt.

- Begrenzungsanzeigen √ľber die Position der K√∂pfe innerhalb oder au√üerhalb des normalen Zylinderbereiches.

- Zylinderimpulse, die bei Positionierungen das √úberschreiten von Zylindern anzeigen.

Außerdem werden noch Signale wie die Schreibfrequenz und die Sektorenzählung abgeleitet.













Bild 2.5 Positionierung

Die Positionierung wird hierbei grunds√§tzlich so durchgef√ľhrt, daa die Anzahl der √ľberschrittenen Spuren gez√§hlt, und so die aktuelle Position bestimmt wird. Beim Hinfahren zu einer bestimmten Spur wird dabei eine bestimmte Maximalgeschwindigkeit eingehalten, und rechtzeitig vor dem Erreichen der gew√ľnschten Spur die Geschwindigkeit reduziert, sodaa auf Anhieb die gew√ľnschte Position erreicht wird. Die Maximalgeschwindigkeit liegt hierbei bei ca. 2m/s.



















Bild 2.6 Aufbau der Servoplatte

Abgesehen von der grunds√§tzlichen Positionierung der K√∂pfe, bei der sie einmal prinzipiell auf die richtige Spur gebracht werden, m√ľssen sie nun noch dort gehalten werden, nachdem der Tauchspulmotor im Gegensatz zu einem Schrittmotor einer Bewegung im nichterregten Zustand keinerlei Widerstand entgegensetzt. Diese Regelung erfolgt √ľber den Spurfolge - Regelkreis.














Bild 2.7 Spurfolge - Regelkreis

Die Positionsmessung erfolgt hierbei anhand der Signale der Servoplatte. Diese ist so beschrieben (gerade und ungerade Servospuren), daa aus dem Lesesignal die Kopfposition abgeleitet werden kann.
Die Spuren auf der Servoplatte und die Datenspuren sind jeweils um eine halbe Spurbreite gegeneinander versetzt. Die Grenzlinie zweier Spuren auf der Servooberfl√§che definiert damit die Spurmitte der Datenspuren. Bild 2.8 zeigt die Spannung am Servokopf f√ľr zwei verschiedene Positionen. In Position 1 liest der Kopf gleich gro√üe Anteile des Signals auf den Spuren A und B. Die Datenk√∂pfe befinden sich dann genau √ľber der Mitte der Datenspuren. In Position 2 liest der Kopf mehr Signal von der Spur des Typs A. Die Positionsme√üelektronik trennt mit gesteuerten Gleichrichtern die von den verschiedenen Spuren stammenden Signalanteile, woraus sich der Positionsfehler ergibt.






















Bild 2.8 Positionsmeßspuren und Positionsmeßsignal

2.3 Aufzeichnungsverfahren

Bei Magnetplatten wird hier die sogenannte MFM - Aufzeichnung verwendet. Diese hat den Vorteil, daa nur wenige Flußwechsel nötig sind, um ein Binärzeichen aufzuschreiben. Dadurch kann ohne Erhöhung der Aufzeichnungsfrequenz eine höhere Aufzeichnungsdichte erreicht werden als bei anderen Systemen.
Aufgrund der geringeren Anzahl der Flußwechsel ist die gegenseitige Signalbeeinflussung geringer und die Amplitudenauswertung leichter möglich.
Der Nachteil dieser Aufzeichnungsart wiederum ist, daa die Impulspolarität keine Beziehung zur aufgezeichneten Information hat, da nur der Zeitpunkt des Flußwechsels innerhalb der Bitzellzeit ausgewertet wird. Dadurch wird der Aufwand an Dekodierelektronik höher.







Bild 2.9 MFM - Aufzeichnung

Hier sind die Schreibdaten so codiert, daa eine "1" durch ein HIGH in der zweiten H√§lfte der Bitzellzeit, und eine "0" durch ein HIGH in der ersten H√§lfte der Bitzellzeit repr√§sentiert wird. Folgen aber zwei HIGHs unmittelbar hintereinander, so wird das Zweite weggelassen. Die auf die Platte geschriebene Information ergibt sich daraus jetzt derart, das f√ľr jeden LOW -> HIGH - √úbergang ein Flu√üwechsel stattfindet.
3. Magnetbandsysteme

Sie sind eher langsame Speichersysteme und bieten keine Möglichkeit zu einem Random - Zugriff, sondern können nur sequentiell ausgelesen werden; sie haben aber eher geringe Kosten pro gespeichertem Bit, und benötigen bei der Archivierung der Bänder relativ wenig Platz (im Vergleich zu Wechselplatten). Aus diesem Grund werden sie heute meist zur Datensicherung und - archivierung verwendet.
Im Prinzip sind Magnetbandsysteme Vielspurlaufwerke, wo auf jeder Spur ein Datenbit aufgezeichnet wird. Fr√ľher gab es hier 7 und 9 - Spur Laufwerke; heute praktisch nur mehr 9 - Spur - Laufwerke, die als 9. Bit das Paritybit speichern, wobei hier, wie in der gesamten Gro√ü - EDV, ungerade Parit√§t verwendet wird.

3.1 Aufbau

Ein Magnetbandlaufwerk besteht zunächst einmal, ähnlich wie ein Tonbandgerät aus 2 Wickelspulen. Diese werden mit Servomotoren angetrieben, deren Steuerung ich noch näher beschreiben werde. Der eigentliche Bandantrieb besteht aus einem Capstan - Motor.
Die magnetische Beeinflu√üung des Bandes erfolgt √ľber einen kombinierten Schreib/Lesekopf, bei dem der Schreibteil in Bandlaufrichtung zuerst kommt. Damit ist es m√∂glich, die auf das Band geschriebenen Daten sofort nach dem Schreiben wieder zu √ľberpr√ľfen, wodurch Schreiben im Gegensatz zu Lesen, das vorw√§rts und r√ľckw√§rts erfolgen kann, nur vorw√§rts m√∂glich ist.
Weil bei einem Magntebandsystem das Band au√üer beim Spulen immer wieder angehalten und neu beschleunigt werden muss, was relativ schnell gehen soll, um die ohnehin schon gro√üen Verz√∂gerungen nicht noch gr√∂√üer zu machen, w√§re es hier untragbar, wenn beim Anlaufen immer das gesamte (bis 700m lange und damit relativ schwere) Band voll beschleunigt werden m√ľsste. Aus diesem Grund werden hier Vakuumkammern verwendet, in denen sich eine gewi√üe Strecke des Bandes befindet. Bei einem Start mua nun nur die Masse des Bandes in den Vakuumkammern beschleunigt werden, die gegen√ľber der gesamten Bandmasse gering ist.

























1: Vorratsspule
2: Wickelspule
3: Capstan
4: Schreib/Lesekopf
5: Vakuumkammer
6: Bandanfang - /Bandendeerkennung
7: obere Fehlergrenze
8: obere Arbeitsbereichsgrenze
9: Mittelposition
10: untere Arbeitsbereichsgrenze
11: untere Fehlergrenze
12: Bandlaufrichtung

Bild 3.1 Magnetbandlaufwerk
Die Steuerung der Servomotoren f√ľr die Bandspulen erfolgt √ľber die Lichtschranken, womit erreicht wird, daa immer eine etwa gleichbleibende Menge des Bandes in den Vakuumkammern ist. Damit kann nun eine Hochlaufzeit des Bandes von etwa 2 - 4ms und eine Bremszeit von 1 - 3ms erreicht werden. Hierbei bleibt das Band √ľblicherweise innerhalb des Arbeitsbereiches. Ein Verlassen des Arbeitsbereiches ist noch nicht kritisch. Das Bandlaufwerk wird aber komplett abgeschaltet, wenn die Bandschleife √ľber die obere oder untere Fehlergrenze kommt.
Die Bandanfang - /Bandendeerkennung ist ebenfalls eine Lichtschranke; sie dient dazu, daa das Band nicht ungewollt entladen wird. Hierzu sind auf dem Band reflektierende Streifen angebracht; am Bandanfang auf der einen Seite des Bandes und am Bandende auf der anderen.

3.2 Aufzeichnungsverfahren

Hier gibt es drei verschiedene Verfahren, die ich in der chronologischen Reihenfolge ihres Entstehens beschreiben werde.
Die Aufzeichnung auf Magnetbänder ist in verschiedenen Größen abgestuft. Man unterscheidet hier das Byte (8Bit + Parity) als kleinste Einheit, als nächstgrößere den Block, der einen ununterbrochenen Flua von Daten darstellt (und darstellen muss) und als größtes der Abschnitt.

3.2.1 NRZ (No Return Zero)






Bild 3.2 NRZ - Verfahren

Dieses Verfahren hat an und f√ľr sich den Vorteil, daa Flu√üwechsel nur bei jeder "1" erfolgen, wodurch prinzipiell eine hohe Aufzeichnungsdichte m√∂glich w√§re. Allerdings ist hier die M√∂glichkeit vorhanden, daa eine gro√üe Anzahl von Nullen aufeinander folgt, womit keine Synchronisierung des Datentaktes auf dem Band mit dem Lesetakt mehr erfolgt, wodurch eine Steigerung der Aufzeichnungsdichte durch die Ungenauigkeit des Taktes begrenzt wird.
Hier wird meist eine Aufzeichnungsdichte von 800 Byte/" (315 Byte/cm) verwendet. Die Datensicherung erfolgt durch das Parity - Bit, das wie bereits gesagt auf ungerade Parität ergänzt und einem CRC (Cyclic Redundancy Check) der aus allen Datenbytes eines Blockes gebildet und mit 4 Byte Abstand vom letzten Datenbyte des Blockes geschrieben wird. Außerdem wird 4 Byte nach dem CRC noch der LRC (Longitudinal Cyclic Check) aufgezeichnet, der alle "1" - Bits einer Spur innerhalb des Blockes auf eine gerade Anzahl ergänzt.

3.2 PE (Phase Encoded)









Bild 3.3 PE - Verfahren

Hier wird eine "1" durch einen positive Flu√ü√§nderung dargestellt und eine "0" durch eine negative. Beim Aufeinanderfolgen zweier gleicher Zeichen ist es daher n√∂tig, dazwischen eine umgekehrte Flu√ü√§nderung, den sogenannten Hilfsflu√üwechsel, durchzuf√ľhren, wodurch die maximale Aufzeichnungsdichte begrenzt wird. Die Aufzeichnungsdichte ist aber trotzdem gr√∂√üer als beim NRZ - Verfahren; sie liegt bei 1600 Bytes/" (630 Byte/cm).
Datenbl√∂cke bestehen hier aus der Pr√§ambel (40 "0" und eine "1"), den Nutzdaten und der Postambel. Dei Pr√§ambel dient zum Einphasen des Lesetaktes beim Vorw√§rts - Lesen; die Postambel zum Einphasen beim R√ľckw√§rts - Lesen.
Die Datensicherung erfolgt hier nur durch die Paritybits und die spurweise Überwachung der Lesesignale. Bei Ausfall des Lesesignals in einer Spur wird deren Inhalt unmittelbar während des Lesens aus dem Paritybit geschlossen (fliegende Korrektur), wobei angenommen wird, daa das Parity - Bit richtig ist; eine Annahme die dadurch berechtigt ist, daa das Parity - Bit in der neutralen Zone des Bandes liegt, und damit bei Biegungen des Bandes nicht Gefahr läuft verändert zu werden.
Als Kennzeichen daf√ľr, daa auf dem betreffenden Magnetband im PE - Code aufgezeichnet ist, dient die Schriftkennung, die im Bereich der Bandanfangsmarke aufgezeichnet ist. Sie besteht aus Flu√üwechseln der Dichte 1600 Bytes/" auf der Spur 4; die anderen 8 Spuren sind in Blockl√ľckenpolarit√§t gel√∂scht.
Das PE - Verfahren wird noch verwendet.






















Bild 3.4 Datenorganisation bei PE

3.3 GCR (Group Coded Recording)

Dieses Verfahren ist das neueste (ca. 8 Jahre alt). Es ist eine Kombination von PE und NRZ, wobei von beiden die Vorteile genommen wurden. Es wird hier prinzipiell in NRZ aufgezeichnet; d.h. es erfolgt ein Flußwechsel nur bei einer "1". Um den Nachteil von NRZ aber nicht mitzunehmen, musste eine Spurtaktierung geschaffen werden. Dies erfolgt dadurch, daa die Information vor der eigentlichen Aufzeichnung auf dem Band derart umcodiert wird, daa niemals mehr als 2 "0en" aufeinanderfolgen. Daher können zwei Flußwechsel höchstens 3 Byteabstände auseinanderliegen, wodurch eine ständige Synchronisation des Lesetaktes erfolgt.
Die Codierung erfolgt hier nach einem festen Schema, bei dem jeweils 4 Datenbytes als Gruppe in den sogenannten Translator geschickt werden, wo sie zu einer Gruppe von 5 Bytes umgewandelt werden. Diese 5 Byte - Gruppe (Storage Group) wird dann auf dem Band aufgezeichnet.
Die GCR - Schriftkennung erfolgt durch Flußwechsel in der Spur 6 wieder im Bereich der Anfangsmarke.
Die Aufzeichnungsdichte beträgt hier 6250 Byte/" (2460 Byte/cm).
4. Magnetblasenspeicher

Magnetblasenspeicher sind Speicher, die in Geschwindigkeit und Preis pro Bit zwischen Halbleiter - und Plattenspeichern liegen. Ihr Vorteil gegen√ľber Plattenspeichern ist, daa sie den geringen Preis bereits bei kleineren Speichergr√∂√üen (einige 100 kB) bieten, wohingegen Plattenspeicher erst bei gro√üen Speicherkapazit√§ten (√ľber 100 MB) ein g√ľnstiges Preis - Leistungs - Verh√§ltnis, da bei ihnen die Mechanik das Teure ist, und diese bei steigender Speicherkapazit√§t kaum mehr komplexer wird.














Bild 4.1 Preis pro Bit √ľber Zugriffszeit

4.1 Was sind Magnetblasen?

Magnetblasen sind zylindrische Bereiche von umgekehrter Magnetisierung in einer d√ľnnen Schicht spezieller magnetischer Materialien. Diese Magnetblasen k√∂nnen, wie in Bild 4.2 gezeigt, isoliert auftreten, sodaa ihre nat√ľrliche Wechselwirkung f√ľr die meisten praktischen Anwendungen vernachl√§√üigt werden kann. Im allgemeinen (ohne zus√§tzliche Ma√ünahmen) treten sie aber, wie in Bild 4.3 dargestellt, gedr√§ngt auf.
Voraussetzung f√ľr das Existieren von Magnetblasen ist ein Magnetfeld, das im rechten Winkel zur Blasenschicht liegt. Bei einer so orientierten Magnetisierung ist aber die magnetische Energie h√∂her, als wenn die Schicht in "L√§ngsrichtung" magnetisiert w√§re. Deshalb w√ľrde die Magnetisierung dazu tendieren, in die Ebene zu kollabieren. Um das zu vermeiden, m√ľssen die Materialien in denen Magnetblasen bestehen sollen, eine magnetische Vorzugsrichtung im rechten Winkel zur Ebene besitzen.






Bild 4.2 Isolierte Magnetblasen in einer d√ľnnen Schicht








Bild 4.3 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 4.3. Eine andere derartige Struktur sind serpentinförmige Streifen wie in Bild 4.4.






Bild 4.4 Serpentinförmige Streifen

Diese beiden Strukturen sind in einer guten Magnetblasenschicht ohne zus√§tzliche Magnetfelder stabil. Isolierte Magnetblasen wie in Bild 4.1 erfordern jedoch eine Vormagnetisierung um stabil zu sein. Dieses Feld (HB), das in Richtung der Magnetisierung in der Schicht au√üerhalb der Magnetblasen orientiert sein muss, stabilisiert die √ľberwiegende Magnetisierung in dieser Richtung.









Bild 4.5 Vormagnetisierung

Wenn HB zu weit reduziert wird, explodieren die isolierten Magnetblasen zur Serpentinenstruktur von Bild 4.4. Die Feldst√§rke, bei dieses eintritt, wird strip - out Feld genannt. Andererseits w√ľrde bei zu starker Erh√∂hung der Vormagnetisierung das Megnetfeld au√üerhalb der Magnetblasen zu stark bevorzugt werden, und oberhalb eines kritischen Feldes w√ľrden die Magnetblasen kollabieren. Innerhalb dieser Grenzen ist die Vormagnetisierung frei w√§hlbar, wobei hierbei die Magnetblasengr√∂√üe variiert (Bild 4.5).
In diesem Zusammenhang möchte ich kurz auf die Größe von Magnetblasen eingehen. Abhängig vom verwendeten Material haben die Magnetblasen Durchmesser zwischen von 0,1 - 500 um.

4.2 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 k√∂nnen 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 Oberfl√§che der Magnetschicht erzeugt werden. Kontinuierliche Bewegung kann durch fortlaufendes Pulsen eines Gitters von Leiterbahnen erzeugt werden. In den √ľblichen Ger√§ten wird die Fortbewegung jedoch durch Einkoppeln eines rotierenden, in der Ebene liegenden Feldes in eine Reihe von Elementen aus Permalloy durchgef√ľhrt. Die ersten erfolgreichen Muster waren aus T - und I - Elementen (Bild 4.6).














Bild 4.6 Bewegungsstruktur aus TI - Elementen
Wie Bild 4.7 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 4.7 Bewegungssequenz mit TI - Elementen

Die TI - Elemente sind auf der magnetischen Schicht mit einer d√ľnnen Zwischenlage aus Quarz aufgebracht.
Die Fortbewegungsgeschwindigkeit der Magnetblasen h√§ngt von den dynamischen Eigenschaften der Blasen ebenso wie von Gr√∂√üe und Frequenz des rotierenden Feldes ab. Derartige Magnetblasensysteme werden √ľblicherweise mit Frequenzen zwischen 0,1 und 1 MHz betrieben.
Die Detektion von Magnetblasen wird in der Praxis elektronisch durch eine Widerstands√§nderung in einem magnetisch empfindlichen Widerstandsstreifen, der auf der magnetischen Schicht aufgebracht ist, durchgef√ľhrt. Um Magnetblasen in der Forschung an beliebigen Positionen beobachten zu k√∂nnen, 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.
F√ľr die praktische Anwendung mua eine M√∂glichkeit zum Schalten gegeben sein. Die Magnetblasen k√∂nnen hierbei mit Permalloy - Schalter - Konfigurationen, die durch einen elektrischen Strom in einem Leiter √ľber den Schalter kontrolliert werden, individuell in verschiedene Bahnen gelenkt werden. Manche Schalter lenken hierbei die Magnetblase vollst√§ndig auf einen anderen Weg, andere spalten eine Tochter von der Magnetblase, w√§hrend sich die Mutterblase auf ihrem urspr√ľnglichen Weg weiterbewegt.















Bild 4.8 Spaltender Schalter

Bild 4.8 zeigt einen derartigen spaltenden Schalter. Wenn die Magnetblase den Schalter passiert, streckt sie sich naturgem√§a etwas, und wenn der Strom in der Kontrollschleife eingeschaltet ist, teilt sich die Magnetblase und ein Teil wird Pfad 3 folgen, w√§hrend sich der andere auf Pfad 2 weiterbewegt. Die normale Fortbewegung (bei ausgeschaltetem Strom) erfolgt √ľber Pfad 2.
4.3 Ausf√ľhrung des Magnetblasenspeichers
















Bild 4.9 Magnetblasenspeicher

Bild 4.9 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 Speicherf√§higkeit von 68 kBit, aber dasselbe Modul kann Chips mit gr√∂√üerer Speicherf√§higkeit aufnehmen. Die vier Chips sind umgeben von Elementen, die die n√∂tigen Magnetfelder erzeugen. Zwei Spulen, eine innere und eine √§u√üere, 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 f√ľr alle Magnetblasensysteme.
Die Chips selbst k√∂nnen auf verschiedene Arten organisiert sein. Die eine Art, die relativ raschen Zugriff erm√∂glicht, wird in Bild 4.10 dargestellt. Eine derartige Organisation wird als MAJOR/MINOR LOOP Organisation bezeichnet. Die Information wird hierbei zun√§chst 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 gel√∂scht) der Magnetblase festgestellt wird. Die mittlere Zugriffszeit auf ein Bit ist hierbei die halbe Zeit, die f√ľr einen Durchgang der MINOR LOOP ben√∂tigt wird plus der Transferzeit zum Detektor. Eine andere Organisationsm√∂glichkeit w√§ren einfache Schieberegister, wo die Magnetblasen einfach durch ein langes Schieberegister geschoben werden. Diese Organisation ben√∂tigt keine Schalter und ist damit vom Aufbau her einfacher, hat aber wesentlich l√§ngere Zugriffszeiten.
























Bild 4.10 Schematischer Aufbau eines 68 kBit Chips




















Bild 4.11 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 2,7 ms und einen Datenflua von 0,7 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.
Anhang Literaturverzeichnis

diverse Firmenunterlagen

Winchester B√ľchsen
Chip 1984/1

Anwendung von Abtastregelkreisen in Magnetplattenspeichern
Volker Zimmermann
Dissertation

Magnetic Bubble Technology
A.H. Eschenfelder
Springer - Verlag 1980

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