バブルメモリ

バブル メモリは、磁性体の薄膜を使用して、バブルまたはドメインと呼ばれる小さな磁化領域を保持し、各領域に 1ビットのデータを格納するタイプの不揮発性 コンピュータ メモリです。この材料は、外部磁場の作用を受けてバブルが移動できる一連の平行トラックを形成するように配置されています。バブルは、材料の端に移動して従来の磁気ピックアップで読み取ることができ、次に遠い端で再度書き込まれて、材料全体でメモリが循環します。動作上、バブル メモリは遅延線メモリシステムに似ています。

バブルメモリは、コアメモリと同様の性能、ハードドライブと同様のメモリ密度、可動部品がないことから、1970年代に有望な技術として登場しました。このため、多くの人がバブルメモリを、あらゆるストレージニーズに使用できる「ユニバーサルメモリ」の候補とみなしました。1970年代初頭に劇的に高速化した半導体メモリチップが導入されたことで、バブルメモリは低速の領域に入り、主にディスクの代替として考えられるようになりました。1980年代初頭にかけてハードドライブの容量が同様に劇的に向上したため、大容量ストレージの価格面で競争力がなくなりました。^[1]

バブル メモリは、メンテナンスや耐衝撃性の理由から、非移動性が望ましいアプリケーションで、1970 年代から 1980 年代にかけてしばらく使用されていました。フラッシュ ストレージや類似のテクノロジの導入により、このニッチ市場でさえ競争力がなくなり、1980 年代後半にはバブルは完全に姿を消しました。

バブル メモリは、アンドリュー ボベックという1 人の人物の発案によるところが大きい。ボベックは 1960 年代を通じてさまざまな磁気関連のプロジェクトに携わっており、そのうち 2 つのプロジェクトによって、バブル メモリの開発において特に有利な立場に立つことができた。1 つ目は、トランジスタベースのコントローラで駆動する初の磁気コア メモリシステムの開発であり、2 つ目はツイスター メモリの開発である。

ツイスターは、本質的にはコア メモリの一種で、「コア」を磁気テープに置き換えたものです。ツイスターの主な利点は、ほぼ完全に手作業で行われていたコアとは異なり、自動化された機械で組み立てられることです。AT &T はツイスターに大きな期待を寄せていました。ツイスターによってコンピュータ メモリのコストが大幅に削減され、業界をリードする立場に立てると信じていたからです。しかし、 1970 年代初頭にDRAMメモリが市場に登場し、それまでのランダム アクセス メモリシステムをすべて急速に置き換えました。ツイスターは最終的に、AT&T のコンピュータなど、いくつかのアプリケーションでのみ使用されることになりました。

ツイスターのコンセプトには、製造段階で興味深い副作用が 1 つあることがわかった。ある条件下では、テープ内部を走る電線の 1 つに電流を流すと、テープ上の磁場が電流の方向に移動する。これを適切に使用すると、保存されたビットがテープに押し込まれて端から飛び出し、一種の遅延線メモリを形成できる。ただし、このメモリでは磁場の伝播はコンピュータ制御されており、使用される材料によって定義された設定速度で自動的に進むわけではない。しかし、このようなシステムにはツイスターを超える利点はほとんどなく、特にランダム アクセスができないという欠点があった。

1967 年、ボベックはベル研究所のチームに参加し、ツイスターの改良に取り組み始めました。ツイスターのメモリ密度はワイヤのサイズに依存していました。ワイヤ 1 本の長さによって保持できるビット数が決まり、このようなワイヤを多数並べて配置することで、より大きなメモリ システムを実現しました。

ツイスターで使用されている磁気テープのような従来の磁性材料では、磁気信号を任意の場所に配置でき、任意の方向に移動できました。パーマロイ磁性薄膜を研究していたポール・チャールズ・ミカエリスは、磁気信号を膜内で直交方向に移動できることを発見しました。この独創的な研究は特許申請につながりました。 ^[2]メモリデバイスと伝播方法は、1967年9月15日にマサチューセッツ州ボストンで開催された第13回磁性および磁性材料年次会議で発表された論文で説明されました。このデバイスは、直交伝播方向に異なる磁気パルスの組み合わせを必要とする異方性磁性薄膜を使用しました。伝播速度は、硬磁性軸と易磁性軸にも依存していました。この違いから、等方性磁気媒体が望ましいことが示唆されました。

これにより、移動ドメインツイスターのコンセプトに似たメモリシステムを作成できる可能性が生まれましたが、多数のツイスターワイヤの代わりに単一の磁性材料ブロックを使用しました。オルトフェライトを使用してこのコンセプトを拡張する作業を開始し、ボベックは追加の興味深い効果に気付きました。ツイスターで使用される磁気テープ材料では、データはドメインと呼ばれる比較的大きなパッチに保存する必要がありました。より小さな領域を磁化しようとすると失敗しました。オルトフェライトでは、パッチに書き込みを行ってから材料全体に磁場を適用すると、パッチは小さな円に縮小し、彼はこれをバブルと呼びました。これらのバブルはテープなどの通常のメディアのドメインよりもはるかに小さく、非常に高い面積密度が可能であることを示唆していました。

ベル研究所では 5 つの重要な発見がありました。

1. パーマロイ薄膜における単層磁区の制御された2次元運動
2. オルトフェライトの応用
3. 安定円筒領域の発見
4. フィールドアクセスモードの発明
5. ガーネット系における成長誘起一軸異方性の発見と、ガーネットが実用的な材料であるという認識

バブル システムは、単一の発明ではなく、上記の発見の観点からのみ説明できます。Andy Bobeck は (4) と (5) の単独発見者であり、(2) と (3) の共同発見者でした。(1) は、P. Bonyhard のグループの P. Michaelis によって実行されました。一時、60 名を超える科学者がベル研究所でこのプロジェクトに取り組んでおり、その多くがこの分野で認められています。たとえば、1974 年 9 月、HED Scovil 、P.C. Michaelis、Bobeck は、IEEE からIEEE Morris N. Liebmann Memorial Awardを受賞しました。受賞理由は、「単層磁区 (磁気バブル) の概念と開発、およびメモリ技術におけるその重要性の認識」です。

完璧な材料を見つけるのに時間がかかりましたが、いくつかのガーネットが適切な特性を持っていることが分かりました。材料内では泡が簡単に形成され、かなり簡単に押し流すことができます。次の問題は、泡を適切な場所に移動させて、そこから読み出すことです。ツイスターはワイヤーで、移動できる場所は 1 つしかありませんでしたが、2D シートではそう簡単ではありません。最初の実験とは異なり、ガーネットは泡を 1 方向にしか動かないように制限しませんでしたが、その泡の特性は無視できないほど有利でした。

解決策は、ガーネットの表面に小さな磁気バーのパターンを刻印することだった。これは伝播要素と呼ばれる。小さな磁場をかけると、それらは磁化され、バブルは片方の端に「くっつく」。次に磁場を反転すると、それらは遠端に引き寄せられ、表面に沿って下へ移動する。さらに磁場を反転すると、それらはバーの端から次のバーへと飛び出し、これがバブルの移動方向を制御または誘導する。文字のような形のTバー/ガイドは、初期のバブルメモリ設計で使用されていたが、後に非対称のV字形などの他の形状に置き換えられた。^[3]実際には、磁場は回転し、X軸とZ軸に回転磁場を生成する一対のコイルによって提供され、この回転磁場がメモリ内のバブルを移動させる。

アモルファス磁性膜も、ガーネット磁性膜に比べてバブルメモリの改善に大きな可能性を秘めていたため検討されたが、ガーネット膜の既存の経験から、定着することはなかった。ガーネット膜は、比較すると期待度が低いと考えられていたオルトフェライト膜と同等かそれ以上の磁気特性を持つ。ガーネット材料（基板上の膜として）は、オルトフェライトよりも高いバブルの伝播速度（バブル速度）を可能にする可能性がある。ハードバブルは通常のバブルよりも遅く、不規則であるが、この問題はガーネット磁性膜にネオンをイオン注入することで克服されることが多い。^[4]また、ガーネット磁性膜をパーマロイでコーティングすることでも克服できる。^[5]

記憶装置は、一方の端に小さな電磁石を並べ、もう一方の端に検出器を並べることで形成されます。書き込まれたバブルはゆっくりともう一方の端に押し出され、互いに並んだツイスターのシートを形成します。検出器からの出力を電磁石に戻すと、シートは一連のループになり、必要なだけ情報を保持できます。^[3]

バブル メモリは不揮発性メモリです。電源を切っても、ディスク ドライブの表面のパターンと同じようにバブルは残ります。さらに、バブル メモリ デバイスには可動部品が不要です。テープやディスク ドライブなどのメディアでは機械的な動きが必要ですが、バブルを表面に沿って押し出す磁場は電気的に生成されます。最後に、バブルのサイズが小さいため、理論上は既存の磁気ストレージ デバイスよりも密度がはるかに高くなります。唯一の欠点はパフォーマンスです。バブルは、読み取る前にシートの端まで循環する必要がありました。

バブル メモリ デバイスは、半透明の 1 つ以上のバブル メモリ チップへの接続を備えた PCB を収容するケースで構成されています。PCB 上のチップの周囲は、銅線またはその他の導電性材料で作られた 2 つの巻線で囲まれており、この巻線が領域をほぼ包み込んでいますが、PCB が巻線を通過してチップに接続するためのスペースが残っています。巻線は互いに反対方向に巻かれています。たとえば、1 つの巻線には X 軸に沿ったワイヤがあり、もう 1 つの巻線には Z 軸に沿ったワイヤがあります。巻線は、巻線の下と上に 1 つずつ、2 つの永久磁石で囲まれています。これにより、ケース内に収容されたアセンブリが形成され、磁気シールドとして機能し、磁石からの磁場の磁気リターン パスを形成します。永久磁石は非常に重要です。永久磁石は静的 (DC、直流) 磁場を生成し、バイアス フィールドとして使用してメモリの内容を保持できるようにします。言い換えると、バブル メモリを不揮発性にすることができます。磁石を取り外すと、すべてのバブルが消え、すべての内容が削除されます。巻線は、約 100 ～ 200 kHz で、バブル メモリの方向と平行に回転磁界を生成します。これにより、磁気フィルム内のバブルが、伝播要素によって誘導または拘束されながら、ある程度円形に移動または駆動されます。たとえば、回転磁界によって、バブルはループの周りを常に循環するように強制できます。ループは細長く、ガイド要素の位置によって定義されます。^{[3] [6]}

バブルがバブルチップの周囲を動き回り、チップ内を案内できるように、チップには強磁性金属でできたある種のパターンがあり、これには例えば非対称のV字形が含まれます。^[3]例えば、バブルはV字形の端の周囲を動き回ることができます。このパターンは、バブルが移動したり伝播したりできるようにするため、伝播要素と呼ぶことができます。このパターンは、バブルが保存され、読み取られる経路を定義し、回転する磁場がこれらの経路に沿ってバブルを移動させます。バブルメモリの場合、ガドリニウムガリウムガーネットなどの材料がチップの基板として使用されます。^[3]基板の上には、磁気バブルを保持するガドリニウム含有ガーネット^[5]またはより一般的には単結晶置換イットリウム鉄ガーネット^{[4]などの磁性フィルム（バブルホストまたはバブルフィルム/層） [5] [4]}があり、これはイットリウム酸化物およびその他の酸化物を含む液体として酸化鉛フラックスを使用した液相エピタキシーでエピタキシャル成長し、次にフィルムに1つまたは複数の元素をイオン注入してドーピングして、望ましくない特性を低減します。^{[5] [3]}エピタキシープロセスは、白金るつぼとウェーハホルダーを使用して実行されます。^[4]シェブロンおよびその他の部品は、フィルムの上に構築されます。^[3]シェブロンを含む伝播要素は、ニッケル鉄パーマロイなどの材料で作ることができます。 バブルメモリの材料は、主に磁気特性に基づいて選択されます。^[3]ガドリニウムガリウムガーネットは、磁性ガーネット膜のエピタキシャル成長をサポートでき、非磁性であるため基板として使用されますが、^[4]一部のバブルメモリでは代わりにニッケルコバルト基板が使用されています。

パーマロイの代わりにイオン注入によって形成された伝播素子を使用することで、バブルメモリの容量を16Mbit/cm ²まで増加させることが提案された。^[4]

ボベックのチームはすぐに、当時の標準コアメモリのプレーンと同じ 4,096 ビットを保存できる 1 cm (0.39 インチ) 四方のメモリを開発しました。これは業界で大きな関心を呼びました。バブルメモリはコアを置き換えることができるだけでなく、テープやディスクも置き換えることができるように思われました。実際、バブルメモリはすぐに大多数のアプリケーションで使用される唯一のメモリ形式になり、高性能市場だけはバブルメモリが対応できないように思われました。

この技術は1974年にベル研究所の実験装置に組み込まれました。^[8] 1970年代半ばまでには、事実上すべての大手エレクトロニクス企業がバブルメモリに取り組むチームを持っていました。^[9]テキサスインスツルメンツは1977年にバブルメモリを組み込んだ最初の商用製品を発表し、92キロビットの容量を持つ最初の商用バブルメモリであるTIB 0103を発表しました。^{[10] [11] [12]} 1970年代後半までにはいくつかの製品が市場に出回り、インテルは1979年に独自の1メガビットバージョンである7110をリリースしました。^{[13] [14] [15]しかし、1980年代初頭までに、より高いストレージ密度、より高速なアクセス速度、および低コストを提供する}ハードディスクシステムの導入により、バブルメモリ技術は行き詰まりました。 1981年に、この技術に取り組んでいた大手企業がバブルメモリ事業を閉鎖した。^[16]特にロックウェル、ナショナルセミコンダクター、テキサスインスツルメンツ、プレッシーがそうであったが、1984年までに「第2世代バブル」を追求し続ける「ビッグ5」企業、すなわちインテル、モトローラ、日立、SAGEM、富士通が残った。^[17]インテル7114などの4メガビットバブルメモリは1983年に導入され^{[18] [19] [20]}、16メガビットバブルメモリが開発された。^{[21] [22]}

バブル メモリは、1980 年代を通じて、ディスク ドライブの機械的故障率が高いことを避ける必要があるシステムや、振動が激しい環境や厳しい環境で動作するシステムなどのニッチ市場で使用されていました。このアプリケーションも、パフォーマンス、密度、コスト面でのメリットをもたらした フラッシュ ストレージの開発により、時代遅れになりました。

1 つのアプリケーションは、1984 年に導入されたコナミのバブル システムアーケード ビデオ ゲーム システムです。このシステムは、68000 ベースのボード上に交換可能なバブル メモリ カートリッジを搭載していました。バブル システムでは、ゲームをロードする前に約 85 秒の「ウォームアップ」時間 (電源を入れると画面に表示されるタイマーによって通知されます) が必要でした。これは、バブル メモリが適切に動作するには、約 30 ～ 40 °C (86 ～ 104 °F) に加熱される必要があるためです。富士通は1981 年にFM-8でバブル メモリを使用し、シャープは1983 年にラップトップのようなポータブル コンピュータであるPC 5000シリーズでバブル メモリを使用しました。ニコレットはモデル 3091 オシロスコープで波形を保存するためにバブル メモリ モジュールを使用しました。HPも同様に、モデル 3561A デジタル信号アナライザのメモリを拡張する 1,595 ドルのバブル メモリ オプションを提供しました。GRiD Systems Corporation は、初期のラップトップでバブル メモリを使用しました。 TIEコミュニケーションは、デジタル電話システムの初期開発で、MTBF率を下げ、不揮発性電話システムの中央プロセッサを製造するためにバブルメモリを使用しました。 ^{[23]バブルメモリは、} Quantel Mirage DVM8000/1 VFXシステムでも使用されました。^[要出典]

バブルを保存するために、伝播要素はペアで左右に並んでおり、ループと呼ばれる列に並んでバブルを保存しています。ループに保存されたバブルは、回転する磁界によって強制的にその周りを常に循環するため、ループは保存ループです。この磁界はバブルを他の場所に移動させることもできます。バブルメモリには、不良ループを置き換えることで製造時の歩留まりを向上させるための予備ループが余分にあります。不良ループのリストは、ブートループと呼ばれる特別な別のループでメモリにプログラムされており、メモリのラベルにも印刷されていることがよくあります。バブルメモリコントローラは、バブルメモリシステムの電源がオンになるたびにブートループを読み取り、初期化中にコントローラはブートループデータをブートループレジスタに格納します。バブルメモリへの書き込みは、メモリコントローラ内のフォーマッタによって行われ、バブルメモリで読み取られたビットからの信号はコントローラのセンスアンプによって増幅され、ブートループレジスタを参照して、ブートループ内のデータの上書きやそれ以上の読み取りを回避します。^[3]

バブルは、ヘアピン形の導電性ワイヤ（アルミニウム銅合金など）によって、磁石によって生成される磁気バイアス場を局所的に克服して反転させるのに十分な電流を使用して、シードバブルを絶えず分割または切断することで作成されます。したがって、ヘアピン形のワイヤは小さな電磁石として機能します。シードバブルは、切断後すぐに元の大きさに戻ります。シードバブルは、他の場所に移動しないようにする円形のパーマロイパッチの下を循環します。生成された後、バブルは「入力トラック」に循環し、次にストレージループに入ります。古いバブルは、後で破壊するためにループから「出力トラック」に移動できます。古いバブルが残したスペースは、新しいバブルのために使用できます。^[3]シードバブルが失われた場合は、バブルメモリに送信される特別な信号と、シードバブルからバブルを切断するために必要な電流の2〜4倍の電流を介して、新しいバブルを核形成できます。^[4]

ストレージ ループ内のバブル (およびバブル用の空きスペース) は、その周囲を常に循環しています。バブルを読み取るには、バブルをより大きな伝播要素に移動してバブルを伸張させることで「複製」し、ヘアピン形状の導体の下を通過させて、1/4 ヘルツの持続時間で長い後縁を持つスパイク波形として形作られた電流パルスで 2 つに切断します。これによりバブルが 2 つに分割され、そのうちの 1 つはストレージ ループ内を循環し続け、停電が発生した場合でもバブルとデータを安全に保持します。もう 1 つのバブルは出力トラックに移動され、検出器に移動します。検出器は磁気抵抗ブリッジで、相互接続されたパーマロイのシェブロンの列で構成されており、シェブロンは前後に並んでおり、その前には相互接続されていない同様のシェブロンの列があります。これによりバブルが伸張され、検出器でより大きな出力が生成されます。検出器には一定の電流が流れており、泡が検出器の下を通過すると、検出器の電気抵抗と電流がわずかに変化し、泡の動きによってミリボルト単位の電圧が発生し、これが 1 または 0 として読み取られます。泡は読み取るために特定の領域に移動する必要があるため、遅延制約があります。検出器の後、泡はガードレールに衝突して破壊されます。1 は泡で表され、0 は泡がないことで表されます。^[3]

バブルチップの基板として使用されたガドリニウム・ガリウム・ガーネット・ウェハーは直径3インチで、製造にイリジウムるつぼを使用する必要があったため、1982年当時は1枚あたり100ドルの費用がかかった。^[4]

2007年、 MITの研究者らはマイクロ流体バブルをメモリではなくロジックとして使用するというアイデアを提案した。バブルロジックはナノテクノロジーを使用し、アクセス時間が7ミリ秒であることが実証されている。これは、当時のハードドライブの10ミリ秒のアクセス時間よりも速いが、従来のRAMや従来のロジック回路のアクセス時間よりも遅いため、この提案は商業的に実用的ではない。^[24]

IBMの2008年のレーストラックメモリに関する研究は、本質的にはバブルの1次元バージョンであり、元のシリアルツイスターの概念とさらに密接な関係を持っています。^[25]

• 多くのバブルメモリの基板として使用されるガドリニウムガリウムガーネット

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• 過去と現在の優れたマイクロプロセッサ。付録 F: メモリの種類: John Bayko の Web サイト
• アーケード フライヤー アーカイブ: コナミ バブル システム フライヤー
• 泡：より良い記憶
• バブルメモリはどうなったのか？
• 磁気バブルメモリーズ - George S. Almasi による Web サイト
• 新しい非磁性バブルメモリ
• バブルメモリの構造
• 分解されたバブルメモリの分解図と写真。メモリバブルチップが入った PCB が表示されている。
• 現代のバブルボードに移植されたファイルオペレーティングシステム