Машинный анализ и синтез доменных устройств тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Амосов, Владимир Владимирович

• Амосов, Владимир Владимирович
• кандидат технических наук
• 1984

Оглавление диссертации кандидат технических наук Амосов, Владимир Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ЦМД-УСТРОЙСТВ

1.1. Принципы работы элементов устройств на

1.2. Общая модель системы ферромагнетиков

1.3. Модели ЩД-п.од системы доменного устройства

1.3.1. Модель 1Щ-подсистемы на основе методов вариационного исчисления

1.3.2. Модель ЦМД-подсистемы на основе методов определения экстремумов функции нескольких переменных

1.4. Модели подсистемы пермаллоевого покрытия устройства на ЦМД /.

1.4.1. Модель определен^'распределения намагниченности пермаллоя, основанная на сведении проблемы к решению уравнения Пуассона.

1.4.2. Континуальная модель распределения намагниченности пермаллоя и методы решения уравнений этой модели

1.4.2.1. Метод наложения сетки

1.4.2.2. Метод Фурье-анализа

1.4.2.3. Метод, использующий аппроксимацию распределения намагниченности

1.4.2.4. Сравнение методов решения уравнений континуальной модели.

1.5. Модель связи подсистем ЩЦ-у с тройства

1.6. Выводы.

Глава 2. ШДЕЛЬ ПОДСИСТЕМЫ ПЕРШШЮЕВОГО ПОКРЫТИЯ

УСТРОЙСТВА НА ЦМД.

2.1. Введение.

2.2. Усовершенствование математического аппарата определения распределения намагниченности методом "наложения сетки"

2.3. Вывод расчетных формул для коэффициентов размагничивающих матриц.

2.3.1. Определение диагональных коэффициентов матриц размагничивания

2.3.1.1. Доказательство существования диагональных коэффициентов для сетки с прямоугольными элементами разбиения

2.3.1.2. Расчетные формулы для диагональных коэффициентов

2.3.2. Расчетные формулы для недиагональных коэффициентов матриц размагничивания

2.4. Методика выбора варианта сетки элементов разбиения (методика разбиения) для произвольной ДПС.

2.4.1. Правила разбиения элементов ДПС.

2.4.2. Физическое обоснование правил разбиения

2.4.3. Основные этапы разработки методики разбиения и полученные при этом результаты на примере пермаллоевой полосы.

2.4.4. Проверка методики разбиения на примере элементов ДПС произвольной конфигурации

2.4.4.1. Описание алгоритма, реализующего методику выбора варианта сетки разбиения для произвольной структуры ДПС

2.4.4.2. Результаты машинного исследования вариантов сетки разбиения

2.5. Выводы.ПО

Глава 3. ШДЕЛЬ СИСТЕМЫ ЦМД - ПЕРМАЛЛОЕВАЯ

АППЛИКАЦИЯ.

3.1. Введение.ИЗ

3.2. Машинная модель пермаллоевой подсистемы . . ИЗ

3.3. Математическая модель ЦМД-подсистемы

3.4. Математическая модель системы ЩД - пермал-лоевая аппликация

3.4.1. Методика построения участков области работоспособности (ОР) системы ЦМД-аппликация.

3.5. Машинная модель системы ЦМД-аппликация

3.6. Выводы.

Глава 4. ШДЕЛЬ ВНЕШНЕЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ.

4.1. Введение.

4.2. Модель соленоида прямоугольной формы, построенная в предположении равномерного распределения тока в обмотке

4.3. Модель прямоугольного соленоида при сосредоточении тока в центре витков обмотки

4.4. Модель системы двух вложенных соленоидов и результаты оценки однородности создаваемого ими поля управления для устройств на ЦМД.

4.5. В ы в о д ы.

Глава 5. РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА И СИНТЕЗА ДОМЕНО

ПРОДВИГАЩЙХ СТРУКТУР.

5"Л. Проверка адекватности разработанной модели.

5 Л Л. Правомерность модели распределения намагниченности

5Л.2. Проверка адекватности модели определения "¿"-составляющей размагничивающего поля (Н©г)

5Л.З. Правомерность модели построения области работоспособности ДПС

5.2. Синтез схем пермаллоевого покрытия . . . ^ 5.2Л. Математическая модель решения задачи синтеза ДПС ЦМД-устройства

5".2.2. Машинная модель синтеза ДПС устройства на ЩЦ.

5.2.3. Результаты счета программы, реализующей машинную модель синтеза ДПС на несимметричных шевронах.±(К'

5.3. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Машинный анализ и синтез доменных устройств»

Важное место в прогрессе запоминающих устройств (ЗУ) вычислительной техники (ВТ) занимает развитие техники на цилиндрических магнитных доменах (НМД).

Эта техника, наследуя положительные свойства магнитной техники на сердечниках - сохранение информации при отключении питания и радиационную стойкость, дает качественный скачок по уменьшению энергопотребления и размеров. Сравнение микросборок полуцроводникового (п/пр.) динамического ЗУ и ЗУ на ЩД приведено в табл.1 [I].

Таблица I

Устройства Характеристики п/пр. ЗУ ЗУ на ЩД

По информационной емкости 256 Кбит I Мбит

По площади размещения 4.75 х 8.5 = 15 х 15 = 40.38 мм2 = 225 тР

По числу компонентов 540000 2160000

По минимальной ширине линии 1,3 Мкм 1,5 Мкм данные на конец 1983 года).

Таким образом, ЗУ на ЦЩ наряду со специальными достоинствами, успешно конкурируют с ц/пр. ЗУ по плотности размещения информации, но проигрывают в скорости и методе выборки информации: в п/пр. динамических ЗУ - произвольная выборка, в ЗУ на ШД - последовательно-параллельная выборка (ЗУ на ЩД с произвольной выборкой находятся в стадии лабораторных разработок). Наиболее целесообразной областью использования техники на ЦЩ является ЗУ большой емкости и относительно невысокого быстродействия, заменяющие электромеханические внешние ЗУ, уже не отвечающие возросшим требованиям по быстродействию, надежности и другим эксплуатационным характеристикам. Это привело к необходимости создания устройств внешней памяти, основанных на новых физических принципах и твердотельной технологии, и в первую очередь ЗУ на ЦМД.

В качестве электромеханических внешних ЗУ (ВЗУ) широко используются ЗУ на магнитных дисках (МД), ЗУ на магнитных барабанах и ЗУ на магнитных лентах. Наиболее перспективным из них, имеющим решающее преимущество, по времени выборки и надежности, являются ЗУ на МД.

ЗУ на 1Щ в прямую конкурируют с ЗУ на МД.

Сравнение лучшего на конец 1983 года ЗУ на МД - 89 мм винчестерского накопителя на жестких магнитных дисках (НВД) типа "КОЗ50 " с платой ЩД-накопителя (ШВД), состоящей из контроллера и 8 субсистем, каждая емкостью 4 Мбит с размерами (2 х 75 х 100 мм3), приведено в работе [2]. Соответствующие данные иллюстрщуются таблицей 2.

Таблица 2

Устройства НМД нщд

Характеристики

По информационной емкости 10 Мбайт 4 Мбайт

По пространству размещения 591300 мм3 Х03700 мм3

40.5x146x100) (2x170x305)

По времени выборки 10 -5- 100 мсек I + 10 мсек

Для НЩУЩ выборка информации в отличие от НВД, происходит при отсутствии механических частей, что значительно повышает характеристики надежности НЩД.

При приблизительном соответствии по информационной емкости и плотности размещения НЩД по времени выборки и надежности функционирования имеет решающее преимущество перед НМД.

Таким образом, из изложенного следует, что техника ЗУ на ЦМД дает решающий выигрыш по сравнению с ЗУ на магнитных дисках, являющихся лучшими из используемых на сегодня электромеханических внешних 37", и что дальнейшее ее совершенствование дает новый импульс в развитии ЗУ большой емкости.

Носителем информации в ЗУ на ЦМД служит сам домен, под информационной единицей понимается наличие ЩД в данном месте в заданный момент времени, под информационным нулем -его отсутствие.

Для реализации функций хранения, записи, стирания, управления и считывания 1Щ в рассматриваемом ЗУ необходимо выполнение ряда элементарных операций: продвижение ЩД в информационном канале или доменопродвигающей схеме (ДПС), его фиксирование в требуемой позивди, генерация или управляемое зарождение ЦВД, аннигиляция ЩД в элементах стирания, растяжение ЦМД дугового сечения в полосовой домен, переключение ЩД по различным информационным каналам, репликация или деление ЩД, а также считывание ЦМД. Для осуществления перечисленных операций используют ряд методов, наиболее распространенный из которых - метод внешнего по отношению к ШД--материалу управляющего поля, которое перемагничивает большое множество ферромагнитных микроаппликаций, являющихся источниками градиентных полей, воздействующих на ЦМД.

Обработка и хранение информации в ЗУ на НМД в этом случае осуществляется системой ферромагнитных и токовых аппликаций, образувдих топологию схемы устройства на ЦМД.

В настоящее время большое значение на этапах создания и совершенствования технических устройств имеет разработка и применение систем автоматизации проектирования (САПР) с использованием ЭВМ. Их внедрение началось с автоматизации ряда конструкторских работ: размещения компонентов и функциональных узлов в различных стандартных конструкциях, разводки проводов и печатных проводников. На сегодня в САПР включены также подсистемы анализа (моделирования) и синтеза технических устройств, позволившие значительно улучшить характеристики и сократить сроки отработки проектируемой аппаратуры. Обе эти подсистемы содержат в своем составе машинную модель проектируемого устройства, созданную на основе его математической модели. ЭВМ, оснащенная программным обеспечением, реализующим эту машинную модель, как бы заменяет макет устройства и комплекс измерительной аппаратуры, используемый для получения характеристик при традиционном (немашинном) методе проектирования. Целью машинного анализа является количественная оценка и изучение с помощью машинной модели свойств проекпфуемого устройства, определяющих выполнение им своего функционального назначения.

Синтез технических устройств подразделяется на структурный синтез, который, в основном, проводится самим проектировщиком на основе интуитивных соображений, и на параметрический синтез, при котором структура проектируемого устройства зафиксирована, а его математическая модель задана до некоторого вектора управляемых (внутренних и внешних) параметров (подробнее см.гл.5). Целью параметрического синтеза в дальнейшем просто синтеза) является оптимальный выбор ' этих параметров, причем, последовательность изменений управляемых параметров задается методами теории оптимизации. Для устройства на ЦМД возникающие в процессе его создания технологические сложности затрудняют чисто экспериментальное проектирование этого устройства. Наиболее рациональным путем при этом является целенаправленное экспериментальное исследование ЩЦ-устройства с использованием результатов, полученных с помощью его машинной модели, с достаточной для практики точностью отражающей поведение этого устройства. Сложность процессов, происходящих при взаимодействии магнитных полей ЦМД, пермаллоевых аппликаций и внешних магнитных полей, приводящая к необходимости решения сложной системы уравнений, делает единственно возможным моделирование с помощью ЭВМ на основе решений численными методами.

В условиях конкуренции с существующими экспериментальными методами на машинную модель накладываются дополнительные требования по скорости получения результата с ориентировкой на современную вычислительную технику.

Машинные анализ и синтез при условии создания приемлемой модели имеют существенное преимущество перед экспериментом в смысле возможности использования богатого арсенала мощных оптимизационных средств, наиболее быстро приводящих к необходимым результатам. В этом смысле комплект программ машинной модели при оптимальном выборе по нескольким управляемым параметрам может использоваться гораздо эффективнее, чем эксперимент (чем больше этих параметров, тем эффективнее).

Важнейшим показателем работы устройства на ЩД является его область работоспособности (0Р). Ее величина зависит от множества факторов, .главными из которых являются: величины областей работоспособности отдельных элементов устройства, количество микродефектов на площади расположения этих элементов, полученное в процессе изготовления устройства, а также интенсивность этих микродефектов.

Наличие микродефекта на площади любого элемента 1Щ-устройства ведет к уменьшению его ОР, вплоть до ее исчезновения. Это уменьшение зависит от интенсивности микродефекта и от первоначальной величины ОР рассматриваемого элемента. Чаще всего из областей работоспособности элементов НМД-устройства меньшей других бывает ОР переключательных элементов (см.гл.1), однако, в настоящей работе изучается ОР элементов ДПС. Это связано с тем, что подавляющая многочисленность элементов ДПС существенно повышает вероятность попадания на . них микродефектов, в том числе близких к критическим (с интенсивностью, приводящей к исчезновению ОР). Поэтому ОР всего устройства на ЩД при наличии проработанной элементной базы определяется уменьшенной из-за микродефектов ОР элементов ДПС, а одним из основных средств увеличения ОР всего устройства является увеличение ОР элементов ДПС.

Предлагаемая диссертационная работа посвящена проблеме создания подсистем анализа и синтеза элементов ДДС устройств на ЩД. При этом целью моделирования является построение ОР этих элементов.

Главный научный результат настоящей работы - методика анализа и синтеза элементов ДПС, позволяющая оценивать и выбирать их. Создание этой методики потребовало решения ряда задач: задачи выбора совокупности приближенных уравнений, пригодных для машинного анализа процессов в системе ЦМД-пермаллоевое похфытие ДПС с элементами произвольной конфигурации; задачи построения новой более полной математической модели системы ЩД-периаллоевая структура ДПС; задачи модификации методов моделирования ДДС, которая позволила бы сократить закаты машинного времени по сравнению с ранее используемыми методами для целей машинного анализа и синтеза ДПС ЦЩ; задачи разработки комплекта программ на языке Фортран--4, моделирующих процессы в системе ВДД - пермаллоевая ДЗС; задачи построения математической модели внешней системы уцравления ЩД-устройства и оценки степени однородности управлявшего поля внутри этой системы; а также задачи создания методики синтеза элементов произвольной структуры ДПС и написания, реализующей ее программы.

Решение этих задач включало: построение подмодели размагничивающего поля пермаллоевого покрытия произвольной конфигурации на основе использования элементов теории магнетизма ; построение ЩД-подмодели на основе теории поведения изолированного ЩД в статике и динамике, а также уравнений связи подмоделей; построение модели магнитного поля соленоида на основе закона Био-Савара-Лапласа для элемента витка с током; преобразование математической записи всей модели системы ЩД-ДДС, с применением приближенных методов решения к виду, удобному для программирования и выхода на ЭЕМ; проверку внутренней непротиворечивости математической записи модели с помощью созданного комплекта программ, реализующего эту модель и использующего алгоритмы численных методов решения систем алгебраических уравнений, а также методов интегрирования и поиска минимума функционала; получение результатов, описывающих процессы в системе ВДЦ-ДПС, и сравнение их с экспериментом.

В последующих главах диссертационной работы дано описание путей и методов решения вышеперечисленных задач, а также приведен ряд результатов, полученных на ЭШ.

I. МАТЕтТЙЧЕСКИЕ МОДЕШ ГОД-УСТРОЙСТВ

I.I. Принципы работы элементов устройств на ЩЦ

Способ управления продвижением 1ЭДЦ с помощью пермалло-евых аппликаций применяется практически во всех ныне существующих промышленных ЗУ на ВДД и связан с простотой технологии и возможностью обеспечения большого выхода годных ДДС. Описание функциональных элементов ШД-накопителей приведено в работах [5,6,25-28 и др.].

Змзическое обоснование способности ЦМД двигаться в ЦМД-содержащем материале основывается на стремлении домена занимать положения, отвечающие минимуму энергии в системе НМД-материал - аппликация, поэтому, если в материале, содержащем ЦЩ, создать энергетическую потенциальную яму или маг-ни то статическую ловушку (МСЮ и целенаправленно ее перемещать, то следом за МСД будет продвигаться 1Щ.

При использовании ДДС на пермаллоевых аппликациях такое движение MCJI создается вращением управляющего поля Нупр. в плоскости пластины ВДД-материала.

В самых первых ДПС применялись TI аппликации (см.рис. I.I). Однако, с 1978 года большее распространение получили ДДС, составленные из аппликаций типа несимметричный шеврон и несишетричный полудиск, изображенных на рис. 1.2 и 1.3. Такие ДПС обеспечивают большую информационную плотность ЗУ при том же уровне литографии, и их характеристики менее чувствительны к флуктуациям размеров (например, к флуктуациям ширины зазора между аппликациями).

В дальнейшем ДПС и некоторые другие функциональные элементы законченного ЦЩ-устройства будут иллюстрироваться на

Рис.1 Л Доменопродвигшацая 71 -структура. полудиск. примере элементов, составленных из несимметричных полудисков, как более перспективных.

Перемещение ЩД вдоль ДОС за счет волнообразного движения потенциальных ям под пермаллоевыми аппликациями, индицируемого вращающимся полем Нупр, изображено на рис Л. 4, Знаками отмечены предполагаемые места нахождения магнитных полюсов. Местонахождение МСЛ задается отрицательным или ведущим магнитным полюсом. Наличие асимметрии полудиска позволило НМД более плавно (без скачков и сильных изменений конфигурации) преодолевать межэлементные зазоры при переходе из второй позиции в третью (рис.1.4), что дало возможность увеличить ширину зазора в сравнении с ДПС на ТЕ-элементах. В связи с выполнением элементами ДПС основной функции ЗУ на ЦМД-функции хранения, структуру ДПС можно считать основным функциональным элементом ЦВД-накопителей.

Другой функциональный элемент ЦВД устройства - генератор. Используются три типа генераторов: активные, пассивные и гибридные.

В активном генераторе зарождение новых ЦМД происходит только при подаче импульса электрического тока. Кодирование информации в этом случае осуществляется в самом генераторе за счет соответствующего вида последовательности импульсов тока. Работа активного генератора основана на создании сильного локального магнитного поля (нормального к пленке), вызывавшего зарождение ЦМД, за счет электрического тока в проводнике, имеющем форму удлиненной петли. Главный недостаток активных генераторов - очень большие значения генерирующих токов. Тем не менее, почти во всех ЦМД-схемах используют активные генераторы, но с переходом к схемам с диаметром ЦМД •меньшим 3 мкм, требуемые значения токов остаются прежними,

Мупр

Нуг?р

Нчпр

Ичпр

Нурр

Рис Л .4 Продвижение ЩД вдоль структуры из "с"- элементов,

Рис.1.5 Одна из форм шевронного датчика

Рис Д .6 Наиболее перспективная форма шевронного датчика. а размеры токовых петель уменьшаются, соответственно, заметно возрастает значение плотности тока, достигая пределов электромиграции. Кроме того, имеет место значительный локальный нагрев. Решение проблемы состоит в использовании пассивных и гибридных генераторов.

Пассивный генератор (пермаллоевый квадрат или диск с выступом) постоянно содержит первичный (затравочный) домен, непрерывно вращающийся вокруг генератора. От затравочного домена в каждом цикле вращающегося поля (Нупр) в ДПС отщепляется новый ЩД. В случае пассивного генератора кодирование достигается путем селективного переключения ЩД во входную петлю. Ненужные ЩД направляются к аннигилятору. Работоспособность пассивного генератора зависит от устойчивости затравочного домена, что требует пермаллоевого квадрата с довольно цротяженной границей, которую домен должен обходить в каждом цикле Бупр, а это может ухудшить частотные характеристики ЦМД-схемы.

В гибридном генераторе, по виду напоминающем пассивный, объединены достоинства двух предыдущих: кодирование информации осуществляется непосредственно в генераторе за счет токовой аппликации, введенной между генератором и ДПС, но значения генерирующих токов могут быть намного меньше, чем в обычном активном генераторе. В гибридном генераторе затравочный домен растягивается в направлении ДПС и разрезается только при пропускании через проводник в соответствующий момент времени импульса электрического тока, поэтощу рабочий диапазон полей смещения может быть расширен по сравнению с пассивным генератором.

Обратная генерированию операция-аннигиляция (разрушение). Аннигилятор так же может быть пассивным, т.е. ЩД может быть поглощен затравочным доменом, либо активным - 1Щ уничтожаются путем локального увеличения поля смещения до значения поля коллапса. В ЦМД-схемах часто используется аннигиляция путем отвода ВДД по ДОС не замкнутой в кольцо или отвода к "забору" из шевронов, ограничивающих топологию схемы, и дальнейшего"выбрасывания за забор". При наличии ДОС замкнутой в кольцо, генератора и аннигилятора, можно построить простое ЗУ, но накопленная информация полезна, лишь когда в дальнейшем ее можно считывать, поэтому следующий функциональный элемент ЩД-устройства - детектор.

Детектщювание может основываться на ряде магнитных эффектов: явлении магнит ос триквди, эффекте Холла, гальваномагнитных явлениях.

Наибольшее распространение получил магниторезистивный датчик на основе гальваномагнитных явлений, т.е. изменения сопротивления магниторезистора при внесении его в магнитное поле.

Если в каком-нибудь месте ДОС нанести тонкую пермаллое-вую магниторезистивную пленку, то ее сопротивление будет периодически изменяться при эдащении поля (Нупр). ЩД, проходящий вблизи датчика, дает дополнительный вклад в магнитное поле, возмущающий периодическое изменение сопротивления.

Для выделения сигнала от 1ВД из полного сигнала используется схема из двух идентичных датчиков, включенных навстречу друг другу, один из которых находится в ДОС, а другой - вне ее. При таком включении сигнал от вращающего поля (Нупр) оказывается скомпенсированным; неполная компенсация сигнала (связанная с разбросом параметров датчиков или с различием величин поля Нупр в местах расположения датчиков) приводит к "шумам" в сигнале комбинированного датчика. Напряжение с датчика снимается в течение той части цикла, когда отношение' сигнал/шум - максимально.

Магниторезистинные датчики можно разбить на две категории: тонкопленочные и толстопленочные. Поскольку при заданном токе I снимаемое с датчика напряжение дУ пропорционально сопротивлению магниторезистивного элемента: f=дR = R^ , то тонкопленочные датчики оказываются более эффективными из-за их большого сопротивления Я. Недостаток этого датчика состоит в том, что он должен наноситься на НМД-пленку отдельно.

Датчик, изготавливаемый одновременно с пермаллоевой ДПС с необходимостью будет толстопленочным. В этом случае полное сопротивление датчика можно увеличить, сделав датчик длиннее и уже. Для: получения максимального сигнала необходимо обеспечить максимальное перекрытие ВДД с датчиком, чтобы полностью использовать сопротивление последнего. Поэтому, желательно совмещать датчики с пассивными расширителями ЦМД на шевронных структурах и увеличивать их перекрытие с датчиком.

Толстопленочный датчик может являться частью ДПС, и для получения адекватного сигнала увеличивают длину колонки шевронов со встроенным датчиком, а также осуществляют более сильное растяжение ЩЦ, что легко достигается расширением шевронного трека в пассивном расширителе.

После детектирования ЦЩ по схеме сужения вновь возвращается в канал продвижения. На рис.1.5 и рис.1.6 представлены две различные конфигурации толстопленочных детекторов.

Структура на рис. 1.6 обладает более длинным встроенным датчиком, поэтому она имеет большее сопротивление и характеризуется намного большим значением -^р- по сравнению со

- г-/—

Рис.1.7 Переклочат ель ввода в структуре на асимметричных полудисках. т

30

I мЯ вм гго1 о0

90е

Рис Л .8 Форма управляющих импульсов для переключателя ввода. структурой на рис. 1.5 цри одинаковой длине колонок. йце одной операцией, без которой невозможна эффективная работа ВДЦ-устройства, является переключение. ЩД можно перевести из одной ДПС в соседнюю с помощью пермаллоевого переключателя, который управляется электрическим током, подводимым по тонкопленочному проводнику, нанесенному на поверхность НМД-пленки. Основное функциональное назначение переключателя - перевод НМД из входной ДПС (мажорной петли) в накопительные регистры (минорные петли) при записи информации или из накопительных регистров в выходную ДДС при считывании. Переключатель может осуществлять или простой перевод, или перевод с репликацией, или приводить к обмену НМД. Соответственно функционированию переключатели называют: "Трансфером" или простым переключателем, переключателем-репликатором и обменным переключателем (вентилем).

Простой переключатель засылает ЦМД в новую ДПС, не оставляя домена в исходной. На рис. 1.7 представлен простой переключатель ввода НМД из мажорной петли, расположенной снизу, в минорную, расположенную наверху. Штрихованная часть переключателя - тонкопленочный проводник тока. Продвигающее поле Нупр вращается против часовой стрелки. При подаче в заданной фазе поля Нупр импульса тока рис.1.8 (зависимость амплитуды тока от угла поворота поля Нупр) происходит удержание ЩД до момента когда за счет необходимого поворота поля Нупр создадутся условия перехода ЩД в минорную петлю, после чего импульс заканчивается. В ЩЦ устройствах используется также простой реверсивный переключатель, в котором перевод ВДД из минорной петли в мажорную и обратно осуществляется импульсами токов одной и той же полярности, но приложенными в разных фазах вращающегося поля (Нупр). После считывания с использо 4 I

Рис Д .9 Переключая;ель-репликатор вывода в структуре на асимметричных: полудисках.

Л МЙ ш

Я 5£Н Я I

Выбод а■ I г

270° 0°

9 о1

Ш1

Рис Л .10 Форма управляющего' импульса для перекло чате ля-репликатора вывода. Зеванием трансфера данные, которые нужно сохранить, должны быть заново перезаписаны в накопительные регистры.

Широко используется также переключатель-репликатор. Он вводит ЦМД в новую ДДС, не разрушая домен в исходной, так что вся информация в исходной ДДС сохраняется, последнее важно для считывания из накопительных регистров без разрушения информации. На рис.1.9 представлен переключатель-репликатор вывода на несимметричных "С"-образных аппликациях, а также начало отсчета и направление вращения поля Нупр. Необходимые, уцравлякщие работой импульсы тока (зависимость амплитуды тока от угла поворота поля Нупр) представлены на рис. 1.10.

При приложении прямоугольного импульса "А" рис.1.10 переключатель-репликатор вывода осуществляет простой вывод НМД. Для одновременной репликации используется импульс "К Высокий выступ импульса Я. вызывает расщепление НМД, а продолжение импульса удерживает правый из образовавшихся доменов, пока тот не переместится на конец I аппликации в новой ДЦС.

Работоспособность этих переключателей можно заметно улучшить при изменении формы реплицирующего пермаллоевого элемента. Обменный вентиль - еще один вид переключателя, он реализует операцию обмена данными между двумя соседними ДПС.

Описанные функциональные элементы служат материалом построения ЗУ на ЦМД. На сегодняшний день все промышленные ЗУ на ЦМД-ЗУ регистрового типа.

Различают несколько схем организации регистров: кольцевая и разомкнутая схемы с последовательным доступом к информации, которые состоят из одного длинного регистра хранения и характеризуются большим временем выборки; схема кольцевых регистров с последовательно-параллельным доступом (параллельным' доступом к каналам ввода-вывода, представляющим из себя регистры с последовательным доступом к элементам управления -генератору, аннигилятору и датчику) имеет малое время доступа к небольшим объемам информации; схема на кольцевых регистрах с матричной организацией ввода-вывода может оказаться перспективной при емкости кристалла 0,5-1 Мбит и выше; схема же с прямым (произвольным) доступом к кольцевому регистру оказывается предпочтительней для полупостоянного ЗУ (ППЗУ) и внешнего ЗУ (ВЗУ) большой емкости с неразрушающим считыванием, по сравнению с матричной организацией здесь требуется меньшее число выводов.

Выбор конкретной схемы организации регистров для ЗУ на НМД, его архитектуры находится в прямой зависимости от назначения накопителя информации.

Как видно из описания функциональных элементов ЦМД-уст-ройства, все они реализуются в системе ВДЦ - материал - пер-маллоевые и токовые аппликации, поэтому предлагаемая в диссертации методика анализа взаимодействующей системы ЩД -материал - пермаллоевое покрытие может быть распространена не только на структуру ДПС, но и на все функциональные элементы ЗУ на ЩД.

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Амосов, Владимир Владимирович

5.3. Выводы

I. В данной главе путем сравнения с экспериментальными результатами поэтапно проверялась адекватность всех важнейших звеньев разработанной модели: счет коэффициентов матриц размагничивания и определение распределения намагниченности, определение "2 "-составляющей размагничивающего поля аппликации (Нх>?) и поля рассеивания ЩД (¡Tr).

2* Сравнением экспериментальной и расчетной ОР (рис.5.9) была проверена адекватность всей модели построения ОР (рис. 3.3), включающей предыдущие модели.

3. В настоящей главе рассмотрена возможность решения задачи параметрического синтеза для системы ЦМДнматериал-пермаллоевое покрытие устройства на ВДД и разработана модель решения этой задачи в наиболее простой ее постановке.

4. По этой модели написана программа решения на ЭШ рассматриваемой задачи синтеза и получены приемлемые с физической точки зрения результаты, т.е. подтверждена правомерность предложенной модели синтеза ДПС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Для целей машинного анализа и синтеза построена новая более полная математическая модель системы НМД -пермаллоевая структура ДО, позволяющая совокупно описать физические процессы в системе ЩД-ДПС, взаимосвязь которых существенна, и которые должны исследоваться совместно.

2. Предложен ряд модификаций методов моделирования пермаллоевой ДО, позволивших более чем в 10 раз сократить затраты машинного времени по сравнению с ранее используемыми методами, а именно:

I/ проведены матричные преобразования системы уравнений модели пермаллоевой ДПС. В результате, порядок системы был уменьшен вдвое, что дало возможность использовать более рациональные методы счета;

2/ получены аналитические выражения для коэффициентов размагничивающих матриц, что позволило увеличить скорость счета каждого коэффициента более чем в 10 раз, по сравнению с численным вычислением интегралов.

3. Разработан комплект программ на языке Фортран-4 объемом более 10000 операторов, моделирующих процессы в системе ЦМД - пермаллоевая ДДС. Этот комплект позволяет во взаимосвязи решать следующий ряд задач: а) автоматизировайно выбирать вариант сетки разбиения, удовлетворяющий необходимой точности вычисления распределения "намагниченности; б) осуществлять расчет g-составляющей размагничивающего поля в объеме ЩД-материала; в) определять в ЦМД-материале конфигурацию машитостати-ческой ловушки (MCI), необходимую для устойчивого продажения ЩД.

В совокупности комплект позволяет по заданным параметрам строить границы области работоспособности Д1С, что является задачей рассматриваемой в САПР устройств на ЩД.

4. Предложена методика решения задачи параметрического синтеза элементов ДЦС и написана программа, реализующая решение этой задачи.

5. Выведены расчетные формулы определения значения уп-равняющего поля (Нупр), создаваемого взаимноперпендикулярны-ми катушками внешней системы управления. Разработаны методы оценки степени однородности Нупр внутри объема катушек управления, а также методы увеличения объема, соответствующего заданной степени однородности. Написана программа, реализующая эти метода.

Основное содержание диссертации изложено в следующих опубликованных работах:

1. Кракау Т.К., Амосов В.В. Математическое моделирование на ЭВМ системы управления движением НМД.-Труды JIM, 1980,

В 372.

2. Кракау Т.К., Амосов В.В., Теренко A.C. Машинный метод оценки поля управления доменопродвигающей структуры заданной конфигурации.- В кн.:Тезисы докладов III Всесоюзной школы по доменным и магнитооптическим ЗУ, Астрахань, 1980.

3. Кракау Т.К., Амосов В.В. Определение области устойчивой работы при движении ЩД по доменопродвигающей структуре. -В кн. :Тезисы докладов 1У Всесоюзной школы семинара по доменным и магнитооптическим ЗУ, Батуми, 1981.

4. Кракау Т.К., Амосов В.В., Черноруцкий И.Г. Оптимизация системы то ко проводников, предназначенных для создания вращающегося поля управления. - Информационный сборник

ЩИЙТЭИ приборостроения, Москва, 1981, II 6.

5. Кракау Т.К., Амосов В.Б. Машинные модели ЩД и НМД устройств для их автоматизированного проектирования. -Труды ЛИИ, 1982, й 381.

6. Амосов В.В. Машинный анализ и синтез устройств на

ЩД. - Труда Л1Ш, 1984, № 398.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Амосов, Владимир Владимирович, 1984 год

1. Лаймен Д. Успехи в области литографии и выпуск СБИС. -Электроника, 1983г., т.56, № 14, стр.37-39.

2. Тори А. Компактный корпус для ЦМД ЗУ, уменьшающий площадь печатных плат и стоимость изготовления приборов. -Электроника, 1983г., т.56, №6, стр.52-56.

3. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. К теории дисперсии магнитной проницаемости ферромагнитных тел. В кн.: Л.Д.Ландау. Собрания трудов - М.Наука,1969г.,с.128-143.

4. Апокин И.А., Кипаренко Г.Ф. Тонкие магнитные пленки в вычислительной технике.-М.Энергия.1973г.,268 стр.

5. Розенблат М.А. Магнитные элементы, автоматики и вычислительной техники.-М.,Наука,1974г.,293 стр.

6. Раев Б.К., Ходенков Г.Е. Цилиндрические магнитные домены в элементах вычислительной техники.-М.,Энергоиздат, 1981г.,216 стр.

7. Цлаф Л.Я. Вариационное исчисление и интегральные уравнения. (Справочное руководство) М.,Наука,1970г.,192 стр.

8. Смирнов В.И. Курс высшей математики. М.,ГИТТЛ,том 4, 1953г., 568 стр.

9. W., ТяМь f. Мап&ссае СЬвшШсом &f rr?a$netct Utauj SER'ÜXP. Co4 1rot 10,13. faune* W.tDeeea, f. Mcu/netU 31Ш 7)Сй*и-¿иЛош ßu£ to ^kjtynaefo^ ЬивШ

10. Зоммерфельд А. Электродинамика,-М.,Наука,1958г., стр.354.

11. О'Дэлл Т. Магнитные доменн высокой подвижности. -М., Мир, 1978, 200 стр.

12. Фихтенгольц Г.М. Курс дифференциального и интегрального исчисления М.,Физматгиз, том 3, i960 г., стр.226.

13. M.t Ы£ошат Е. ШшмпеХ'ясие "IcMш Mmtltif*огШ Ьоо/лЦ У. of ЛррШ1. PfaftUi , vot л/* f, р

14. Бахвалов H.G. Численные методы М.,Наука,1973,456 стр.1. Омыл 7)мал 1ЕЕЕ Тсаш. /<?, р мо-вог.

15. Форсайт Д., Малькольм М., Моулер К. Машинные метода математических вычислений.- М.,Мир, 1980 г., 300 стр.

16. Боярченков М.А. Магнитные доменные логические и запоминающие устройства. М., Энергия, 1974 г., 230 стр.

17. Боярченков М.А., Васильева Н.П., Розенталь Ю.Д. Логические устройства на магнитных средах с управляемым движением доменов.- М.»Энергия, 1978 г., 160 стр.

18. Эшенфельдер А. Физика и техника цилиндрических магнитных доменов. -М.,Мир, 1983 г., 496 стр.

19. Кракау Т.К. Магнитные логические элементы. -Л.,ШИ им. М.И.Калинина, 1978 г., 60 стр.

20. Бирюков В.А., Данилов В.И. Магнитное поле прямоугольной катушки. -Журнал технической физики, издательство АНСССР, 1961 г., т.31, вып.4, стр.55-65.

21. Кракау Т.К., Черноруцкий И.Г., Амосов В.В. Оптимизация системы токопроводников, предназначенных для создания вращающегося поля управления. -М. »Информационный сборник, ВДИИПЭИ приборостроения, 1981 г., т.с.-12, вып.6, стр.37-38.31. ВощШо! 68 Ш Сщь

22. Ш К шЫ-реьСсо? ТПоиаи^и ЬцШ^ оггешсъу (уир те ее тхлл гпацк,,

23. Чуа Л.О., Пен-Мин Лин. Машинный анализ электронных схем (алгоритмы и вычислительные методы) М.Энергия, 1980 г., 640 стр.

24. Бененсон З.М. Моделирование и оптимизация на ЭВМ радиоэлектронных устройств.- М.,Радио и связь., 1981 г., 272 стр.

25. Норенков И.П., Маничев В.Б. Система автоматизированного проектирования электронной и вычислительной аппаратуры. -М.Высшая школа, 1983 г., 280 стр.