Ферроградумент: магнитная память на доменах¶

Ферроградумент — разновидность магнитного запоминающего устройства, в котором носителем информации служит система магнитных доменов, создаваемых в тонкой ферромагнитной плёнке. Термин образован от латинского ferrum («железо») и английского gradient («градиент») и указывает на ключевой принцип работы: запись и перемещение доменов управляются градиентом магнитного поля. Ферроградумент рассматривается как одна из ранних попыток создания энергонезависимой памяти с последовательным доступом, альтернативной магнитной ленте и дискам.

¶История

Концепция устройств на цилиндрических магнитных доменах (ЦМД) была предложена в конце 1960-х годов. В 1967 году сотрудник Bell Labs Эндрю Бобек описал возможность существования устойчивых цилиндрических магнитных доменов в тонких плёнках ортоферритов и гранатов. Эти домены представляют собой небольшие намагниченные области, окружённые противоположно намагниченной средой, и могут перемещаться под действием внешнего поля.

Термин «ферроградумент» применялся к устройствам, в которых домены продвигались вдоль специально сформированных каналов за счёт градиента магнитного поля, создаваемого токонесущими проводниками или пермаллоевыми аппликациями. Пик исследований пришёлся на 1970-е годы, когда ряд компаний (в частности, Bell Labs и IBM) разрабатывал запоминающие устройства на ЦМД для вычислительной техники. В дальнейшем конкуренция со стороны полупроводниковой памяти и жёстких дисков привела к сворачиванию большинства этих проектов к середине 1980-х годов.

¶Физические основы

Работа ферроградумента опирается на несколько физических явлений.

¶Магнитные домены

В ферромагнитном материале ниже точки Кюри спонтанная намагниченность разбивается на домены — области с однородным направлением намагниченности. В тонкой плёнке с перпендикулярной анизотропией домены приобретают форму цилиндров, пронизывающих плёнку насквозь. Диаметр такого домена может составлять от долей до нескольких микрометров.

¶Управление положением домена

Домен удерживается в равновесии балансом сил: магнитостатического отталкивания соседних доменов, поверхностного натяжения доменной стенки и внешнего поля. Прикладывая неоднородное поле — то есть поле с градиентом, — можно смещать домен в заданном направлении. Именно градиентный механизм продвижения дал название устройству.

¶Детектирование

Для считывания информации используется магниторезистивный эффект либо эффект Холла: домен, проходя под чувствительным элементом, изменяет его электрическое сопротивление. Наличие домена в данной позиции трактуется как логическая единица, отсутствие — как ноль.

¶Устройство и принцип работы

Типичный ферроградументный элемент включает:

• тонкоплёночный ферромагнитный слой (ортоферрит, гранат, пермаллой), нанесённый на немагнитную подложку;
• систему проводников, создающих управляющие магнитные поля;
• аппликации из пермаллоя, формирующие локальные градиенты поля;
• датчики считывания на основе магнитосопротивления.

Информация хранится в виде последовательности доменов, продвигаемых по замкнутому или линейному каналу. Запись осуществляется генератором доменов, который создаёт или уничтожает цилиндрический домен в нужной позиции. Считывание производится при прохождении домена мимо детектора. Поскольку домены сохраняют состояние без внешнего питания, память является энергонезависимой.

¶Характеристики

К достоинствам относили устойчивость к радиации, отсутствие движущихся механических частей и сохранение данных при отключении питания. К недостаткам — низкое быстродействие по сравнению с полупроводниковой памятью, ограниченную плотность и сложность изготовления плёнок с заданными свойствами.

¶Применение

В 1970-х — начале 1980-х годов устройства на ЦМД и родственные им ферроградументные схемы рассматривались для:

• буферной памяти в мейнфреймах;
• бортовых систем, где требовалась радиационная стойкость;
• встраиваемых накопителей в промышленной и военной аппаратуре;
• телефонных коммутаторов и терминалов.

Реального массового распространения ферроградумент не получил: более дешёвые и быстрые технологии (DRAM, магнитные диски, позднее флеш-память) вытеснили его с рынка.

¶Место в истории технологий

Ферроградумент принадлежит к семейству магнитных запоминающих устройств на подвижных доменах, наряду с памятью на цилиндрических магнитных доменах и «магнитными пузырями». Исследования в этой области внесли вклад в физику магнитных доменов, тонкоплёночных материалов и спинтроники. Некоторые принципы — управление намагниченностью градиентом поля, детектирование доменов — нашли развитие в современных устройствах магнитной памяти, включая MRAM и разработки на основе движения доменных стенок (racetrack memory), предложенные в 2000-х годах.

¶См. также

• Цилиндрические магнитные домены
• Магнитная память
• MRAM
• Спинтроника