Memoria de burbuja

La memoria de burbujas es en gran medida una creación de una sola persona, Andrew Bobeck . Bobeck había trabajado en muchos tipos de proyectos relacionados con el magnetismo durante la década de 1960, y dos de sus proyectos lo colocaron en una posición particularmente favorable para el desarrollo de la memoria de burbujas. El primero fue el desarrollo del primer sistema de memoria de núcleo magnético controlado por un controlador basado en transistores , y el segundo fue el desarrollo de la memoria twistor .

La memoria Twistor es esencialmente una versión de la memoria de núcleos magnéticos que reemplaza los núcleos con cintas magnéticas . Su principal ventaja radica en su capacidad de ser ensamblada por máquinas automatizadas, a diferencia de la memoria de núcleos magnéticos, cuyo ensamblaje era casi completamente manual. AT&T tenía grandes expectativas puestas en la memoria Twistor, creyendo que reduciría considerablemente el costo de la memoria de las computadoras y les permitiría posicionarse como líderes en la industria. Sin embargo, a principios de la década de 1970, las memorias DRAM llegaron al mercado y reemplazaron rápidamente todos los sistemas de memoria de acceso aleatorio anteriores . La memoria Twistor terminó utilizándose solo en unas pocas aplicaciones, muchas de ellas en las propias computadoras de AT&T.

Un efecto secundario interesante del concepto de twistor se observó en la producción: bajo ciertas condiciones, al hacer pasar una corriente a través de uno de los cables eléctricos internos de la cinta, los campos magnéticos de la cinta se desplazaban en la dirección de la corriente. Si se utilizaba correctamente, permitía que los bits almacenados se desplazaran a lo largo de la cinta y salieran disparados por el extremo, formando una especie de memoria de línea de retardo , pero en la que la propagación de los campos estaba controlada por un ordenador, en lugar de avanzar automáticamente a una velocidad fija definida por los materiales utilizados. Sin embargo, este sistema tenía pocas ventajas sobre la memoria twistor, sobre todo porque no permitía el acceso aleatorio.

En 1967, Bobeck se unió a un equipo en Bell Labs y comenzó a trabajar en la mejora de la memoria twistor . La densidad de memoria de la memoria twistor dependía del tamaño de los cables; la longitud de cada cable determinaba cuántos bits podía almacenar, y muchos de estos cables se colocaban uno al lado del otro para producir un sistema de memoria más grande.

Los materiales magnéticos convencionales, como la cinta magnética utilizada en la memoria twistor, permitían colocar la señal magnética en cualquier lugar y moverla en cualquier dirección. Paul Charles Michaelis, trabajando con películas delgadas magnéticas de permalloy, descubrió que era posible mover señales magnéticas en direcciones ortogonales dentro de la película. Este trabajo fundamental dio lugar a una solicitud de patente. ^{[ 2 ]} El dispositivo de memoria y el método de propagación se describieron en un artículo presentado en la 13.ª Conferencia Anual sobre Magnetismo y Materiales Magnéticos, Boston, Massachusetts, el 15 de septiembre de 1967. El dispositivo utilizaba películas magnéticas delgadas anisotrópicas que requerían diferentes combinaciones de pulsos magnéticos para direcciones de propagación ortogonales. La velocidad de propagación también dependía de los ejes magnéticos fácil y difícil. Esta diferencia sugería que sería deseable un medio magnético isotrópico.

Esto dio pie a la posibilidad de crear un sistema de memoria similar al concepto de twistor de dominio móvil, pero utilizando un único bloque de material magnético en lugar de numerosos cables twistor. Al comenzar a trabajar en la extensión de este concepto con ortoferrita , Bobeck observó un efecto adicional interesante. Con los materiales de cinta magnética utilizados en la memoria twistor, los datos debían almacenarse en parches relativamente grandes, conocidos como dominios . Los intentos de magnetizar áreas más pequeñas fracasaban. Con la ortoferrita, si se escribía en el parche y luego se aplicaba un campo magnético a todo el material, el parche se contraía hasta convertirse en un pequeño círculo, al que denominó burbuja . Estas burbujas eran mucho más pequeñas que los dominios de los medios normales, como la cinta, lo que sugería la posibilidad de alcanzar densidades de área muy elevadas.

En los laboratorios Bell se realizaron cinco descubrimientos importantes:

1. El movimiento bidimensional controlado de dominios de pared simple en películas de permalloy
2. La aplicación de ortoferritas
3. El descubrimiento del dominio cilíndrico estable
4. La invención del modo de operación de acceso al campo
5. El descubrimiento de la anisotropía uniaxial inducida por el crecimiento en el sistema de granates y la constatación de que los granates serían un material práctico.

El sistema de burbujas no puede describirse mediante una sola invención, sino en términos de los descubrimientos mencionados. Andy Bobeck fue el único descubridor de (4) y (5) y codescubridor de (2) y (3); (1) fue realizado por P. Michaelis en el grupo de P. Bonyhard. En un momento dado, más de 60 científicos trabajaban en el proyecto en Bell Labs, muchos de los cuales han obtenido reconocimiento en este campo. Por ejemplo, en septiembre de 1974, HED Scovil , PC Michaelis y Bobeck recibieron el Premio Memorial Morris N. Liebmann del IEEE con la siguiente mención: Por el concepto y desarrollo de dominios magnéticos de pared simple (burbujas magnéticas) y por el reconocimiento de su importancia para la tecnología de memoria.

Se tardó un tiempo en encontrar el material perfecto, pero se descubrió que algunos granates tenían las propiedades adecuadas. Las burbujas se formaban fácilmente en el material y se podían desplazar a lo largo de él con relativa facilidad. El siguiente problema era lograr que se movieran a la ubicación correcta para poder leerlas: un twistor era un cable y solo había un lugar al que ir, pero en una lámina bidimensional las cosas no serían tan fáciles. A diferencia de los experimentos originales, el granate no obligaba a las burbujas a moverse en una sola dirección, pero sus propiedades para la formación de burbujas eran demasiado ventajosas como para ignorarlas.

La solución consistió en imprimir un patrón de diminutas barras magnéticas sobre la superficie del granate, denominadas elementos de propagación. Al aplicar un pequeño campo magnético, estas barras se magnetizaban y las burbujas se "adherían" a un extremo. Al invertir el campo, eran atraídas hacia el otro extremo, desplazándose por la superficie. Otra inversión las impulsaba desde el extremo de la barra hacia la siguiente barra de la línea, y así sucesivamente, controlando o guiando la dirección de desplazamiento de las burbujas. En los primeros diseños de memoria de burbujas se utilizaron barras/guías en forma de T, similares a las letras, pero posteriormente fueron sustituidas por otras formas, como chevrones asimétricos. ^{[ 3 ]} En la práctica, el campo magnético gira y es proporcionado por un par de bobinas que generan un campo magnético giratorio en los ejes X e Z; es este campo magnético giratorio el que mueve las burbujas en la memoria.

También se consideraron las películas magnéticas amorfas, ya que tenían un mayor potencial para mejorar las memorias de burbujas en comparación con las películas magnéticas de granate; sin embargo, la experiencia previa con las películas de granate hizo que no se consolidaran. Las películas de granate tienen propiedades magnéticas iguales o mejores que las películas de ortoferrita, que se consideraron menos prometedoras en comparación. Los materiales de granate (como películas sobre un sustrato) podrían permitir velocidades de propagación de burbujas más altas (velocidad de burbuja) que las ortoferritas. Las burbujas duras son más lentas y erráticas que las burbujas normales, un problema que a menudo se supera mediante la implantación iónica de la película magnética de granate con neón, ^{[ 4 ]} y también se puede hacer recubriendo la película magnética de granate con permalloy. ^{[ 5 ]}

Un dispositivo de memoria se forma alineando pequeños electroimanes en un extremo con detectores en el otro. Las burbujas escritas se desplazan lentamente hacia el otro extremo, formando una lámina de bucles alineados uno al lado del otro. Al conectar la señal de salida del detector a los electroimanes, la lámina se convierte en una serie de bucles que pueden retener la información durante el tiempo que sea necesario. ^{[ 3 ]}

Un dispositivo de memoria de burbuja consta de una carcasa que aloja una placa de circuito impreso (PCB) con conexiones a uno o más chips de memoria de burbuja, que pueden ser translúcidos. El área alrededor de los chips en la PCB está rodeada por dos bobinados de alambre de cobre u otro material conductor, que envuelven casi por completo el área, dejando espacio para que la PCB pase a través de los bobinados y se conecte a los chips. Los bobinados están enrollados en direcciones opuestas; por ejemplo, un bobinado tiene los alambres orientados a lo largo del eje X y el otro a lo largo del eje Z. A su vez, los bobinados están rodeados por dos imanes permanentes, uno debajo y otro encima. Esto forma un conjunto alojado dentro de la carcasa, que actúa como blindaje magnético y crea una ruta de retorno magnético para el campo magnético de los imanes. Los imanes permanentes son fundamentales; crean un campo magnético estático (CC, corriente continua) que actúa como campo de polarización, lo que permite retener el contenido de la memoria; en otras palabras, hacen que las memorias de burbuja sean no volátiles. Si se retiran los imanes, todas las burbujas desaparecerán y, por lo tanto, se borrará todo el contenido. Los devanados crean un campo magnético giratorio paralelo a la orientación de la memoria de burbujas, a una frecuencia de entre 100 y 200  kHz. Esto mueve o impulsa las burbujas en la película magnética de forma semicircular, guiadas o restringidas por los elementos de propagación. Por ejemplo, el campo magnético giratorio puede forzar a las burbujas a circular constantemente alrededor de bucles, que pueden ser alargados y están definidos por la ubicación de los elementos guía. ^{[ 3 ] [ 6 ]}

Para permitir que las burbujas se muevan alrededor de los chips de burbujas y guiarlas a través de ellos, los chips tienen algún tipo de patrón hecho de metal ferromagnético que puede incluir, por ejemplo, galones asimétricos. ^{[ 3 ]} Por ejemplo, las burbujas pueden moverse alrededor de los bordes de los galones. Los patrones pueden llamarse elementos de propagación, ya que permiten que las burbujas se muevan o se propaguen a través de ellos. Definen trayectorias para que las burbujas se almacenen y se recuperen para su lectura, y el campo magnético giratorio mueve las burbujas a lo largo de estas trayectorias. Para la memoria de burbujas, se utiliza un material como el granate de galio y gadolinio (GGG) como sustrato en los chips. ^{[ 3 ]} Sobre el sustrato hay una película magnética (huésped de burbujas o película/capa de burbujas) ^{[ 5 ] [ 4 ]} como un granate que contiene gadolinio ^{[ 5 ]} o, más a menudo, granate de hierro y itrio sustituido monocristalino ^{[ 4 ]} que contiene las burbujas magnéticas, que se cultiva epitaxialmente con epitaxia en fase líquida con fundente de óxido de plomo como líquido con óxido de itrio y otros óxidos, y luego la película se dopa con implantación iónica de uno o varios elementos, para reducir características indeseables. ^{[ 5 ] [ 3 ]} El proceso de epitaxia se llevaría a cabo con un crisol de platino y un porta-obleas. ^{[ 4 ]} Los chevrones y otras partes se construyen sobre la película. ^{[ 3 ]} Los elementos de propagación, incluidos los chevrones, pueden estar hechos de un material como permalloy de níquel-hierro. Los materiales en las memorias de burbujas se eligen principalmente por sus propiedades magnéticas. ^{[ 3 ]} El granate de galio y gadolinio se utiliza como sustrato porque puede soportar el crecimiento epitaxial de películas de granate magnético y no es magnético, ^{[ 4 ]} aunque algunas memorias de burbujas utilizaron sustratos de níquel-cobalto en su lugar.

Se propuso el uso de elementos de propagación formados por implantación iónica en lugar de permalloy para aumentar la capacidad de la memoria de burbujas a 16  Mbit/cm ² . ^{[ 4 ]}

El equipo de Bobeck pronto logró crear memorias de un centímetro cuadrado (0,16 pulgadas ^cuadradas ) con una capacidad de almacenamiento de 4096 bits, la misma que la de un plano de memoria de núcleo estándar de la época . Esto despertó un gran interés en la industria. Las memorias de burbuja no solo podían reemplazar a las de núcleo, sino que también parecía que podrían sustituir a las cintas y los discos. De hecho, todo indicaba que las memorias de burbuja pronto serían el único tipo de memoria utilizado en la gran mayoría de las aplicaciones, siendo el mercado de alto rendimiento el único al que no podrían dar servicio. 

La tecnología se incluyó en dispositivos experimentales de Bell Labs en 1974. ^{[ 8 ]} A mediados de la década de 1970, prácticamente todas las grandes empresas de electrónica tenían equipos trabajando en memoria de burbuja. ^{[ 9 ]} Texas Instruments presentó el primer producto comercial que incorporaba memoria de burbuja en 1977, y presentó la primera memoria de burbuja disponible comercialmente, la TIB 0103 con una capacidad de 92 kilobits. ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]} A finales de la década de 1970, varios productos estaban en el mercado, e Intel lanzó su propia versión de un megabit, la 7110, en 1979. ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]} Sin embargo, a principios de la década de 1980, la tecnología de memoria de burbuja se convirtió en un callejón sin salida con la introducción de sistemas de disco duro que ofrecían mayores densidades de almacenamiento, mayores velocidades de acceso y menores costos. En 1981, las principales empresas que trabajaban en la tecnología cerraron sus operaciones de memoria de burbuja, ^{[ 16 ] [ 17 ]} en particular Rockwell, National Semiconductor, Texas Instruments y Plessey, dejando un grupo de cinco grandes empresas que seguían desarrollando la "burbuja de segunda generación" para 1984: Intel, Motorola, Hitachi, SAGEM y Fujitsu . ^{[ 18 ]} Las memorias de burbuja de cuatro megabits, como la Intel 7114, se introdujeron en 1983 ^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]} y se desarrolló la memoria de burbuja de dieciséis megabits. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

Jerry Pournelle de BYTE dijo en 1987 —al reemplazar una tarjeta de expansión de memoria de burbuja de 512K de IBM PC por una tarjeta de disco duro— que había esperado que la memoria de burbuja tuviera éxito debido a su mayor velocidad, naturaleza no volátil y robustez, pero "Por desgracia, Intel nunca logró fabricar chips de memoria de burbuja lo suficientemente pequeños o baratos como para ser un competidor serio, mientras que los discos duros seguían abaratándose cada vez más". ^{[ 24 ]} La memoria de burbuja encontró usos en nichos de mercado durante la década de 1980 en sistemas que necesitaban evitar las mayores tasas de fallas mecánicas de las unidades de disco y en sistemas que operaban en entornos con alta vibración o hostiles. Esta aplicación también quedó obsoleta con el desarrollo del almacenamiento flash , que también aportó beneficios en rendimiento, densidad y costo.

Una aplicación fue el sistema de videojuegos arcade Bubble System de Konami , presentado en 1984. Contaba con cartuchos de memoria de burbujas intercambiables en una placa basada en el 68000. El Bubble System requería un tiempo de "calentamiento" de aproximadamente 85 segundos (indicado por un temporizador en la pantalla al encenderlo) antes de que se cargara el juego, ya que la memoria de burbujas necesita calentarse a unos 30 a 40 °C (86 a 104 °F) para funcionar correctamente. Fujitsu utilizó memoria de burbujas en su FM-8 en 1981 y Sharp la utilizó en su serie PC 5000 , una computadora portátil similar a una laptop de 1983. Nicolet utilizó módulos de memoria de burbujas para guardar formas de onda en su osciloscopio Modelo 3091, al igual que HP, que ofreció una opción de memoria de burbujas de $1595 que extendía la memoria en su analizador de señales digitales Modelo 3561A. GRiD Systems Corporation la utilizó en sus primeras computadoras portátiles. TIE Communication lo utilizó en el desarrollo inicial de los sistemas telefónicos digitales para reducir sus tasas de MTBF y producir un procesador central para sistemas telefónicos no volátiles. ^{[ 25 ]} La memoria de burbuja también se utilizó en el sistema VFX Quantel Mirage DVM8000/1.  

Para almacenar las burbujas, los elementos de propagación se disponen en pares, uno al lado del otro, y se organizan en filas llamadas bucles. Estos bucles de almacenamiento se denominan así porque las burbujas almacenadas en ellos circulan constantemente a su alrededor, impulsadas por el campo magnético giratorio, que también puede desplazarlas a otros lugares. Las memorias de burbujas cuentan con bucles de reserva adicionales para aumentar el rendimiento durante la fabricación, ya que reemplazan los bucles defectuosos. La lista de bucles defectuosos se programa en la memoria, en un bucle especial independiente llamado bucle de arranque, y a menudo también se imprime en la etiqueta de la memoria. Un controlador de memoria de burbujas lee el bucle de arranque cada vez que se enciende el sistema. Durante la inicialización, el controlador coloca los datos del bucle de arranque en un registro específico. La escritura en la memoria de burbujas se realiza mediante un formateador dentro del controlador de memoria. Las señales de los bits leídos en la memoria de burbujas se amplifican mediante el amplificador de detección del controlador y hacen referencia al registro del bucle de arranque para evitar la sobrescritura o la lectura adicional de los datos en dicho bucle. ^{[ 3 ]}

Las burbujas se crean (se escribe la memoria) con una burbuja semilla que se divide o corta constantemente mediante un trozo de alambre conductor eléctrico en forma de horquilla (como una aleación de aluminio-cobre) utilizando una corriente lo suficientemente fuerte como para superar e invertir localmente el campo de polarización magnética generado por los imanes; así, el trozo de alambre en forma de horquilla actúa como un pequeño electroimán. La burbuja semilla recupera su tamaño original rápidamente después del corte. La burbuja semilla circula bajo un parche circular de permalloy que impide que se mueva a otro lugar. Después de su generación, las burbujas circulan hacia una "pista de entrada" y luego a un bucle de almacenamiento. Las burbujas antiguas pueden ser extraídas del bucle hacia una "pista de salida" para su posterior destrucción. El espacio que dejan las burbujas antiguas quedaría entonces disponible para nuevas. ^{[ 3 ]} Si la burbuja semilla se pierde, se puede nuclear una nueva mediante señales especiales enviadas a la memoria de burbujas y una corriente de 2 a 4 veces mayor que la necesaria para cortar burbujas de la burbuja semilla. ^{[ 4 ]}

Las burbujas en un bucle de almacenamiento (y los espacios vacíos para burbujas) circulan constantemente a su alrededor. Para leer una burbuja, se replica al moverla a un elemento de propagación más grande para estirarla. Luego, se pasa por debajo de un conductor en forma de horquilla para dividirla en dos con un pulso de corriente con forma de onda de pico con un flanco descendente largo. Esto divide la burbuja en dos, una de las cuales continúa circulando en el bucle de almacenamiento, manteniendo la burbuja y, por lo tanto, los datos a salvo en caso de un fallo de alimentación. La otra burbuja se mueve a una pista de salida para conectarla a un detector, que es un puente magnetoresistivo, formado por una columna de chevrones de permalloy interconectados, donde los chevrones están uno detrás del otro, y delante hay columnas similares de chevrones no interconectados. Estos estiran las burbujas para generar una salida mayor en el detector. El detector tiene una corriente eléctrica constante, y cuando las burbujas pasan por debajo, modifican ligeramente la resistencia eléctrica y, por lo tanto, la corriente en el detector. El movimiento de las burbujas crea un voltaje del orden de milivoltios, que se lee como un 1 o un 0. Debido a que la burbuja debe moverse a un área específica para ser leída, existen limitaciones de latencia. Después del detector, las burbujas chocan contra una barrera para destruirlas. Un 1 se representa con una burbuja, y un 0 con la ausencia de una burbuja. ^{[ 3 ]}

Las obleas de granate de galio y gadolinio utilizadas como sustratos para los chips de burbujas tenían tres pulgadas de diámetro y costaban 100 dólares cada una en 1982, ya que su producción requería el uso de crisoles de iridio. ^{[ 4 ]}

En 2007, investigadores del MIT propusieron la idea de utilizar microburbujas como lógica (en lugar de memoria) . Esta lógica de burbujas emplearía nanotecnología y se ha demostrado que tiene tiempos de acceso de siete milisegundos, más rápidos que los diez milisegundos de los discos duros actuales, aunque más lentos que los de la RAM y los circuitos lógicos tradicionales, lo que hace que la propuesta no sea comercialmente viable. ^{[ 26 ]}

El trabajo de IBM de 2008 sobre la memoria de pista de carreras es esencialmente una versión unidimensional de la burbuja, que guarda una relación aún más estrecha con el concepto original de twistor serial. ^{[ 27 ]}