טכנולוגיות: זיכרונות מגנטיים - Magnetic RAM

סובב סובבת הולכת הטכנולוגיה ועל סביבותיה שבה, אומר הפילוסוף הדיגיטלי והלך לחפש בעיתונים הישנים עוד דוגמאות, איך מה שהיה הוא שיהיה ואין חדש תחת השמש. התובנה הקוהלתית הזאת התעוררה בעקבות תחיית המתים של הזיכרון המגנטי כתחליף ל-DRAM. זה הסיבוב השלישי במערכה של מלחמת המגנטיות בכוח החשמלי הסטטי, אך הפעם יש לחסידי הזיכרון המגנטי סיבה לאופטימיות. טיפה היסטוריה.

קווי השהייה

בדור הראשון של מחשבים אלקטרוניים לא היו רכיבי זיכרון כפי שאנו מכירים. הפונקציה הזאת מולאה על ידי "קווי השהייה", שהם התקנים חשמליים המסוגלים לעכב אות אלקטרוני לזמן קצר וכך להעביר, למשל, תוצאה של חישוב אחד לחישוב הבא (פונקציה שקיבלה את השם "אוגר", Register, כדימוי הולם).

בדור השני התחילו להשתמש בזיכרון מגנטי ותוך זמן קצר ההתקנים האלקטרוניים יצאו משימוש. זיכרון מגנטי התחיל באמצעים מכניים, כמו טייפים וגלילים מגנטיים (ומאוחר יותר גם דיסקים קשיחים בטכנולוגיה שזכתה לשם Winchester, על שם המעבדות של יבמ בהן היא פותחה), והגיע לשיאו במטריצות ענק של טבעות מגנטיות הנקראות Core Memory.

פריצת דרך

הפיתוח של זיכרון הטבעות נחשב לפריצת דרך עצומה, משום שהוא איפשר לראשונה לצייד מחשב בעשרות קילו-בייטים של זיכרון בר-קיימא, עם זמן גישה שנמדד במיקרו-שניות. לדוגמה, ל-Mainframe שהוזכר לעיל בהקשר של תחבורה אוטומטית היה מגהבייט שלם של זיכרון Core וזמן גישה של 2 מיקרו-שניה. המחיר שלו במחירון של יבמ משנת 1973 השאיר מעט עודף מחצי מיליון דולר.

באמצע שנות ה-70 התחילה ההגירה מזיכרון Core מגנטי לזיכרון RAM אלקטרוני כתוצאה ישירה מ"חוק מור" הזכור לטוב. ב-1975 יצאו לשוק הרכיבים הראשונים של RAM עם נפח של 4 קילו-סיביות וזמן גישה של כחצי מיקרו-שניה - ושינו בבת אחת את מאזן הכוחות לטובת האלקטרונים.

תנאי חדר נקי

עכשיו אפשר היה לבנות יחידת זיכרון של מגהבייט תוך שימוש בפחות מאלף רכיבים (וכך להשיג ממוצע בין תקלות של יותר מאלף שעות), להכפיל את מהירות המחשב פי 4 ולהקטין את דרישות החשמל והקירור לחצי. אבל רכיבי RAM נשארו יקרים בכל שנות ה-70' והמהנדסים חיפשו דרכים איך להוריד עלויות על ידי טכנולוגיות פשוטות יותר, שלא נזקקות לליתוגרפיה מורכבת ויקרה ולתנאי יצור של "חדר נקי".

בסוף שנות ה-70 היה נדמה שטכנולוגיה בשם "בועות מגנטיות" (Magnetic Bubbles) תעשה את זה. אינטל במיוחד האמינה כי הבועות המגנטיות לא רק ידחו את ה-RAM לגומחה אלא שהן אפילו יכולות לתפוס את המקומות של הדיסק והדיסקט. אחרי חמש שנים וכמה מאות מיליונים מבוזבזים על מו"פ עקר, היא זנחה את האשליה והחליטה להתמקד בחליבת הפרה הנאמנה של ארכיטקטורת x86.

פיקסציה על מגנטיזם

עוד לא קברו את Bubble Memory וכבר התחילו לדבר על Magnetic RAM. כדי להבין את הפיקסציה על המגנטיזם מספיק להיזכר במה שקורה למחשב בלתי מוגן במקרה של הפסקת חשמל. כל מה שבזיכרון העבודה, ה-RAM, נמחק כהרף עין ואם לא דאגתם לגבות את המידע לדיסק (כלומר לזיכרון מגנטי) תשכחו מהאפשרות לאחזר משהו.

ברכיב RAM רגיל (דינמי או סטטי, DDR או RDRAM, זה לא משנה) המידע נשמר בצורת מטען חשמלי על קבל מיניאטורי. הקבל הזה דולף אלקטרונים כמו סיר נקוב ולכן צריך ל"רענן" אותו כל מילי-שניה בערך. הפסקת זרם שנמשכת יותר ממילי-שניה תגרום להתרוקנות המטענים החשמליים ולאובדן זיכרון טרמינלי. בזיכרון מגנטי, לעומת זאת, מחוללי השדה לא הולכים לשום מקום. מה שמוגנט בכיוון אחד לא ימחק עד שתפעילו על החומר "הפרומגנטי" (Ferromagnetic) שדה חשמלי בכיוון הפוך, שיאלץ אותו להתהפך.

לשבור את הכד

הבעיה היא, כמובן, איך לשבור את הכד (ולאפשר שינויים מהירים של כיוון השדה המגנטי בתאי הזיכרון, כנדרש בזיכרון RAM) ולשמור על היין (האדישות של זיכרון מגנטי לאספקת החשמל). בעיה שניה היא הצורך לגשר בין טכנולוגיה של חצאי-מוליכים לבין הנטייה של חומרים פרומגנטיים להרוס את תכונות החצי-מוליך של הסיליקון.

האהבה הישנה

וכאן אנו חוזרים לאהבתנו הישנה, תורת הקוואנטים. כרגיל נדלג באלגנטיות על כל הפרדוקסים ועל המתמטיקה האטומה ונלך ישר לשורה הסופית: אפשר ליצור מומנט מגנטי מקרוסקופי גם בחצי-מוליך, על ידי שינוי היחס בין מספר האלקטרונים עם "ספין" בכיוון אחד ביחס למספר האלקטרונים עם ספין בכיוון ההפוך (במצב הניטרלי מספרם זהה).

הטריק הוא לבנות "מסננת" אלקטרונית (שמפרידה בין שני הכיוונים על סמך הבדלים זעירים ברמות האנרגיה של שני המצבים) ומאפשרת לגרום לכך, שבתא זיכרון אחד המומנט המגנטי יצביע "למעלה" ובתא אחר הוא יצביע "למטה". מי שיודע לבנות התקן זה - ואין הרבה שיודעים - יוצא נשכר מכל הכיוונים:

1. הרכיבים שלו אינם נמחקים כאשר מפסיקים להם את הזרם

2. הרכיבים אינם רגישים לתנאי הסביבה כמו RAM רגיל

3. הם מראים פוטנציאל למהירות גבוהה מאוד וצריכת הספק נמוכה (שני פרמטרים שבהתקנים אלקטרוניים נוטים לסתור אחד את השני).

פיצוי על היעדר נפח

מוטורולה הדגימה כבר רכיב זיכרון מגנטי של 1 מגה-סיביות, שאמור להיות אב-טיפוס לרכיבים גדולים בהרבה שיצאו לשוק ב-2004. יבמ, HP וכל יצרני הרכיבים הגדולים עובדים בקדחתנות על יישום הטכנולוגיה במוצרים שונים, משום שלא נראה להם כי בטווח הקצר Magnetic RAM יוכלו להציע את נפחי הזיכרון הגדולים של רכיבי DRAM קונבנציונליים. לכך יידרשו לפחות 10 שנות ניסוי וטעייה, פריצות דרך ופשיטות רגל. אבל בגומחות מסוימות התכונות האחרות של זיכרון מגנטי מפצות על העדר נפח:

1. תחליף ל-Flash בהתקנים הדורשים מהירות גבוהה. לרכיבי Flash יש נפחי אחסון גבוהים, אבל הם איטיים יחסית בכתיבה ובמחיקה.

2. מעבדים "משובצים" (Embedded). אלה מעבדים נעלמים מהעין, שמשובצים כמעט בכל מוצר חשמלי או מוטורי ומבצעים את כל פעולות הבקרה והשליטה מתוך תוכנית הצרובה בזיכרונם. MRAM הוא תחליף עדיף לשיטות הצריבה העכשוויות (PROM ו-EEPROM).

3. רכיבי לוגיקה לתכנות "בשדה" (FPLA) ומוצרים דומים שנועדו בניית מכלולים דיגיטליים ייעודיים (ASIC) בכמויות קטנות.

התשובה בעוד עשר שנים