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14.04.1989 - 

Blochlinien-Speicher für mehrere Hundert Megabit pro Quadratzentimeter:

Tausende von Bit in der Wand

In den engeren Fachzirkeln der Eingeweihten kreisen sie zwar schon seit längerem als anregendes Gesprächsthema doch einer breiteren Fachöffentlichkeit blieben sie bisher unbekannt: jene hochgradig innovativen Konzepte neuartiger "Blochlinien" -Festkörperspeicher für Computerdaten, die erstmals 1983 in den IEEE-Transactions über Magnetismus vorgeschlagen wurden. Und die zu Speicherdichten von mehreren. Hundert Megabit pro Quadratzentimeter führen sollen.

An BIochlinienspeichern arbeiten derzeit schon Unternehmen wie NEC, Hitachi und Fujitsu, aber auch die Pittsburgher Carnegie-Mellon-Universität sowie die Bergische Universität / Gesamthochschule in Wuppertal. Sie alle erforschen eine Technik, die zwar den bekannten Magnetblasenspeiherchips herkömmlicher Machart ähnelt, die aber weitaus subtilere physikalische Phänomene nutzbar zu machen versucht.

Informationen in einzelnen Blasen

Magnetblasenspeicher sind nichtflüchtige Festkörperspeicher eher niedriger Geschwindigkeit, bei denen die Information in einzelnen "Blasen" oder auch Domänen einer dünnen magnetischen Schicht sitzt, die wahlweise in Aufwärts- oder in Abwärtsrichtung magnetisiert sind. Und da man hier das Prinzip des "jedem Bit seine eigene Blase" hochhält, bringen es die heutigen Blasenspeicherchips denn auch "nur" auf 4 Megabit pro Speichereinheit.

Ganz anders hingegen Blochlinienspeicher, die nicht nur zehnfach kürzere Zugriffszeiten bieten sollen als Blasenspeicher mit ihren - typischerweise - Hundertstelsekunden: denn hier dient nicht die einzelne Blase als Speicher je eines Bit, sondern hier werden jeweils Zehntausende von Bit in die Wand je einer, stark in die Länge gezogenen Blase eingeschrieben, die nunmehr übrigens als "Streifendomäne" bezeichnet wird. Durch geeignete Ansteuerungsschaltungen kann man diese Domänenwand quasi rotieren lassen, wodurch man der Reihe nach jedes einzelne Bit in die Schreib- beziehungsweise Lesezone des entsprechenden Speicherbausteins befördern kann.

Das Schreiben beziehungsweise Lesen dieser Blochlinienspeicher soll rund zehnmal so schnell vonstatten gehen wie bei herkömmlichen Blasenspeichern, also mit Datenraten im 1-Megabit-pro-Sekunde-Bereich.

Um zu verstehen, wie die dünne Wand zwischen je zwei Blasen oder auch Domänen zur magnetischen Speicherung einzelner Bits benutzt werden kann, ist es zweckmäßig, sich die beiden Domänen einfach als zwei benachbarte Hörsäle vorzustellen, die durch eine eiserne Wand voneinander getrennt sind. Dabei soll der eine der Ost- und der andere der Westsaal sein.

Stellt man sich nun das Innere der Hörsäle von irgendeiner magnetisierbaren Substanz erfüllt und so magnetisiert vor, daß die Feldlinien im Westsaal nach oben weisen, im Ostsaal aber nach unten, dann ist klar: In der Wand zwischen dem West- and dem Ostsaal müssen die Feldlinie n allmählich eine "Drehung" von der Aufwärts- in die Abwärtsrichtung erfahren. Und diese Drehung wiederum kann nun auf zweierlei Weise erfolgen: einmal so, daß die Feldlinien auf halbem Wege, also exakt inmitten der Wand, nach Norden zeigen, aber auch so, daß sie in der Mit e nach Süden weisen (siehe in Bild 1 die "weißen" Pfeile).

Man kann vereinfacht, doch für die Zwecke des Speicherns binärer Informationen von ausreichend, nun also zwei klar abgrenzbare Wandmittenmagnetisierungen zwischen je zwei Streifendomänen unterscheiden: einmal die Magnetisierung in Nord- und dann die in Südrichtung. Wobei hier betont sei, daß diese Mittenmagnetisierungen an benachbarten Orten, also quasi von Ziegel zu Ziegel so einer Wand, unterschiedlich ausgerichtet sein können, ohne einander wechselseitig zu stören.

Bild 2 veranschaulicht, wie man die unterschiedlichen Richtungen , der Magnetisierung der Mitte der Wand einer einzelnen Streifendomäne qua Vereinbarung als Repräsentation der dualen Zahlen 1 und 0 definieren kann. Dabei ist "VBL" die Abkürzung für "vertikale Blochlinie" beziehungsweise für exakt jenen schmalen Bereich, der Wandmitten mit Nordmagnetisierung von Wandmitten mit Südmagnetisierung scheidet. "Und genau genommen", so erläuterte unlängst auf einem Kongreß der Informationstechnischen Gesellschaft im VDE Prof. Jürgen Engemann aus Wuppertal, "sagt uns erst die Präsenz jeweils 'eines Paares dieser VBLs', daß zwischen ihnen ein logischer Einser gespeichert ist."

Ähnlich, wie Vorortsiedlungen oft sehr regelmäßig in Haupt- und Nebenstraßen samt zugehörenden Hausern gegliedert sind, findet man auch bei herkömmlichen Magnetblasenspeichern eine Organisationsform mit Haupt- und an jenen hängende Nebenschleifen. Dabei sind die einzelnen Blasen perlenkettenartig auf den einzelnen Nebenschleifen aufgereiht; und zum Schreiben beziehungsweise Lesen wandern sie, unter dem Einfluß magnetischer Kräfte, an jenen Punkt, wo die Nebenschleife von der Hauptschleife abzweigt (siehe Bild 3).

ln ähnlicher Weise könne man nun auch die Blochlinien-Speicher konfigurieren, erläutert Engemann, der an der Bergischen Universität zu Wuppertal an dieser Technik arbeitet nur daß statt der Nebenschleifen hier nur einzelne Streifendomänen eingesetzt werden, die ja, jede für sich, jeweils Zehntausende von Bit aufnehmen können (Bild 4). Und auch hier wandern die einzelnen VBL-Paare zum Zwecke des Lesens beziehungsweise Schreibens um die Streifendomäne herum - und zwar solange, bis sie an einem entsprechenden Kontrollgatter ein- oder ausgelesen werden können.

Blochlinienspeicher von 64 Megabit

Die einzelnen Vorgänge beim Erzeugen beziehungsweise Einschreiben von Blochlinienpaaren als Träger der binären Information " 1 ", bei deren Auslesen und auch beim Transport dieser Paare entlang der Wand der jeweiligen Streifendomäne können hier nicht im Detail beschrieben werden. Doch sei bemerkt, daß Fachleute sich längst schon dieser Probleme angenommen und Vorschlage für technisch brauchbare Lösungen entwickelt haben. Hierbei wird im Zuge des Schreibens eine in der Hauptschleife schon vorhandene, "gewöhnliche" Magnetblase durch entsprechende Vorrichtungen in ein Blochlinienpaar der Streifendomäne umgewandelt, während beim Lesen das Umgekehrte geschieht. "Magnetblase vorhanden" entspricht dabei dann einem Einser beziehungsweise einem Blochlinienpaar, während für logisch 0 das jeweilige Gegenteil gilt.

Mit Förderung durch das Bonner Forschungsministerium haben Engemann und seine Kollegen in Wuppertal bereits eine Studie konzipiert, die einen denkbaren Blochlinienspeicher von vorerst 64 Megabit Kapazität beschreibt. Dabei wird eine Haupt- und Nebenschleifenarchitektur vorgeschlagen, bei der acht Subspeicherzellen jeweils 8 Megabit aufnehmen, sie soll in ferrimagnetischen Zwei-Mikron-Granatfilmen dargestellt werden, bei denen eine "Seltene Erde" wie Yttrium, Samarium und dergleichen mit Eisenoxid eine Verbindung eingegangen ist.

Dem Vorschlag aus Wuppertal zufolge soll dieser Speicher insgesamt neun Generatoren und Detektoren zum Erzeugen und Lesen der Binärinformation aufweisen. Jede Hauptschleife einer der acht Sub-Speicherzellen soll 2000 Bit-Positionen umfassen und insgesamt sollen an jene Hauptschleifen 2000 Nebenschleifen mit wiederum je mehreren Tausend Bit-Positionen angehängt werden.

Dieser Speicher, so meint Engemann, müßte im Durchschnitt mit 3 Millisekunden auskommen, soll ein beliebiges Bit innerhalb eines beliebigen Datenblocks erreicht werden. Er soll bloß 32 Quadratmillimeter an reiner Speicherfläche belegen und sich mit 700 Milliwatt an mittlerer Verlustleistung begnügen.

Mit Blick auf das Entwicklungspotential dieser Technik, bei der wohl mehrere Hundert Millionen Bit pro Quadratzentimeter erreichbar sein sollten, betont der Wuppertaler Wissenschaftler, man habe es hier wohl vor allem mit einer Art "monolithischer Ergänzung etwa der Halbleiter-RAMs in den Bereich der Massenspeicher hinein " zu tun. Denn die neuen Blochlinienchips würden eines Tages ja wohl vor allem gegen die derzeitigen Magnet- und magnetoptischen Plattenspeicher antreten müssen

Blochlinienchips ergänzen RAMs

Kennzeichnend für die neue Technik ist unter anderen, daß man hier ähnlich wie bei Festplatten, mit seriellem Zugriff arbeiten muß Und das bedeute, diese Entwicklung werde wohl besonders dort ihren Platz finden können, wo man "große Mengen von Daten auf engstem Raum und unter Nutzung aller Vorteile der monolithischen Festkörperspeicher ablegen und manipulieren möchte''.

Was wiederum wohl besonders dort von Interesse ist, wo widrige Umgebungsbedingungen und andere Einflußgrößen den Einsatz rotierender Speichersysteme wenig ratsam erscheinen lassen, wo aber dennoch große Mengen von Daten abgelegt werden müssen.