GRUNDLAGEN DER DIGITALEN SPEICHERTECHNIK

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1 GRUNDLAGEN DER DIGITALEN SPEICHERTECHNIK VON DR.-ING. DIETRICH ILMENAU RHEIN MIT 223 BILDERN UND 20 TABELLEN LEIPZIG 1974 AKADEMISCHE VERLAGSGESELLSCHAFT GEEST & PORTIG K.-G.

2 Inhalt Einleitung Grundbegriffe der digitalen Informationsspeicherung Aufgaben der Speicher in digitalen Rechenanlagen Informationsdarstellung Kenngrößen digitaler Speicher Grundlegende Eigenschaften der Speicherelemente Klassifizierung der digitalen Speicher Einteilung der Speicher nach der Art des Einspeicherns und des Zugriffs zur Information Einteilung nach dem ausgenutzten physikalischen Effekt Einteilung nach den Aufgaben innerhalb der Rechenanlage. Die Speicherhierarchie Speicherorganisation und logische Funktionen im Speicher Allgemeiner Aufbau eines Arbeitsspeichers Übersicht über die wichtigsten logischen Funktionen Register Organisationsformen der Speichermatrizen Die wortorganisierte Speichermatrix (2D-Speicher) Die bitorganisierte Speichermatrix (3D-Speioher) Der 21 D-Speicher Die r-dimensionale Speichermatrix Logische Funktionen des Speicherelementes Die logische Struktur des allgemeinen Speicherelementes Anwendung auf konkrete Beispiele Ansteuerlogik der Speicher Magnetkernspeicher Statische und dynamische Eigenschaften der Rechteckferritkerne Statische Eigenschaften und Parameter Abhängigkeit der statischen Hystereseschleife von den Kernabmessungen Statische Parameter der Speicherkerne und ihr Temperaturverhalten Die Ummagnetisierung von Rechteckferritkernen Theoretische und experimentelle Grundlagen Impulsparameter von Speicherringkernen und Festlegung des Arbeitsstromes Dynamische Hystereseschleifen und Ummagnetisierungsverluste Der wortorganisierte Ringkernspeicher (2D-Speicher) 74 V Prinzipieller Aufbau des Speichers mit einem Kern pro Bit 74 ' Berechnung der Wortkette Möglichkeiten zur Verbesserung des 2D-Speichers mit einem Kern pro Bit Der Speicher mit zwei Kernen pro Bit Aufbau und Arbeitsweise 81 "

3 8 Inhalt Bemessung des Widerstandes iü x der Wortkette Möglichkeiten zur Störsignalbekämpfung im 2D-Speicher Der bitorganisierte Ringkernspeicher (3D-Speicher) Aufbau und Arbeitsweise einer Speicherebene Struktur des Gesamtspeichers Maßnahmen zur Verringerung der Störeinflüsse Anforderungen an die Impulsformer und Leseverstärker Der 2 i D-Speicher Berechnung und Modellierung des dynamischen Betriebsverhaltens des Ferritkernspeichers Vergleich verschiedener Kernspeichertypen und neue Entwicklungsrichtungen Ökonomischer Vergleich der 3D-, 2 - D- und 2D-Speicher Geschwindigkeitsgrenze der Ferritkernspeicher Ferritplatten- und Ferritschichtspeicher Speicher mit Magnetkernen komplizierterer Konfiguration Magnetische Dünnschichtspeicher Allgemeine Grundlagen Einleitende Bemerkungen Herstellung dünner magnetischer Schichten Statische Kennlinien und Parameter magnetischer Dünnschichten Grundlagen aus der Theorie des Magnetismus Die statischen Kennlinien dünner magnetischer Schichten Schwellwerte für die Ummagnetisierung Dispersion der magnetischen Anisotropie und statische Parameter Impulsummagnetisierung dünner magnetischer Schichten Theorie der kohärenten Drehprozesse Experimentelle Untersuchung der Impulsummagnetisierung Abschätzung der Ummagnetisierungsdauer und der Signalamplitude dünner magnetischer Schichten in Speichern Speicher mit ebenen dünnen magnetischen Schichten Arbeitsweise des Grundtyps des ebenen Dünnschichtspeichers Zur Bemessung der Speicherelemente und der Stromimpulse Störsignale und mögliche Gegenmaßnahmen Störsignale im Lesetakt Störsignale im Schreibtakt Ausführungsformen und Beispiele ebener Dünnschichtspeicher Grundausführung Zwei gekoppelte dünne Schichten Verwendung magnetischer Keeper Ebene Dünnschichtspeicher mit zerstörungsfreiem Lesen Speicher mit zylindrischen dünnen magnetischen Schichten Allgemeine Charakteristik Ausführungsformen zylindrischer Dünnschichtspeicher Grundtyp des Magnetdrahtspeichers D-Magnetdrahtspeicher mit zerstörungsfreiem Lesen Gewebte Magnetdrahtspeichermatrix Speicher auf Grundlage des rod-elementes 143

4 Inhalt Neuere Entwicklungsrichtungen und Leistungsgrenzen magnetischer Dünnschichtspeicher Halbleiterspeicher Grundlagen und Herstellung integrierter Schaltungen 147 r Allgemeines Technologie bipolarer integrierter Schaltungen Technologie integrierter MOS-Schaltungen Vergleich der grundlegenden Eigenschaften von Bipolar- und MOS-Strukturen Bipolare integrierte Halbleiterspeicher Berechnungsgrundlagen bipolarer integrierter Transistoren Statische Charakteristiken und Parameter Impulsverhalten der Transistoren Logische Schaltungen mit bipolaren Transistoren Arten logischer integrierter Bipolarschaltungen Der Mehfermittertransistor Speicher mit bipolaren Transistoren Speicherlemente für Arbeitsspeicher Aufbau des Speichers Notizblockspeicher großer Geschwindigkeit MOS-Speicher Berechnungsgrundlagen von MOS-Schaltkreisen Statische Kennlinien des MOS-Transistors Der MOS-Negator Dynamisches Verhalten der MOS-Transistoren Grundlegende logische MOS-Schaltungen Statische MOS-Schaltkreise Dynamische MOS-Schaltkreise MOS-Speicherelemente Statische MOS-Speicherelemente Dynamische MOS-Speicherelemente Aufbau der MOS-Speicherchips 190 i Aufbau des Gesamtspeichers aus integrierten Speicherchips Umlaufspeicher auf der Grundlage dynamischer MOS-Sehieberegister Einige Entwicklungsrichtungen der MOS-Speichertechnik Tunneldiodenspeicher Grundlagen 196 ' Charakteristik der Tunneldiode Grundschaltungen mit Speicherverhalten Aufbau und Arbeitsweise statischer Tunneldiodenspeicher Speicher mit einer Tunneldiode je Element Speicher mit zwei Tunneldioden je Element 205 t 5.5. Ladungstransfer-Speicher Ladungstransfer-Arbeitsspeicher mit Dioden Ladungstransport-Umlaufspeicher Supraleitende Speicher Supraleitende Schaltelemente Grundlegende physikalische Effekte der Supraleitung Kryotron-Bauelemente 213

5 10 Inhalt Kreuz- und Parallelfilmkryotron Tunnelkryotron Supraleitende Speicherelemente und Speicher Kryotron-Speicher Einfaches Kryotronspeicherelement für wortorganisierte Speicher Kryotronspeicherlemente für bitorganisierte Speicher Wortorganisierte Kryotronspeicher für zerstörungsfreies Lesen Supraleitende Schichtspeicher Supraleitende Speicher mit Tunnelkryotrons Besonderheiten des Aufbaus supraleitender Speicher Festwertspeicher Allgemeines Aufgaben der Festwertspeicher Einteilung der Festwertspeicher Ausführungsformen elektronischer Festwertspeicher Festwertspeicher mit Widerstands- und Kondensatormatrizen Magnetische Festwertspeicher Festwert- und Halbfestwertspeicher mit integrierten Halbleiterelementen Optische und optoelektronische Speicher Allgemeines Fotospeicher Systeme mit Strahlablenkung Fotospeicher mit rotierender Fotoplatte Optoelektronische Speicher Optoelektronische Einzclbitspeicher Holografische Speicher Assoziativ- und Mehrfunktionsspeicher Allgemeines Grundlegende Merkmale der Assoziativspeicher Typen der Assoziativspeicher Struktur und Realisierung der Assoziativspeicher Aufbau des Speichers mit einfachem assoziativem Zugriff Typen und Arbeitsweisen des einfachen Assoziativspeichers Aufbau und Funktionsweise des Etikettenspeichers Logische Struktur des assoziativen Speicherelementes Methoden zur Behandlung der mehrfachen Reaktion auf einen Durchruf Realisierung der Assoziativspeicher Übersicht Assoziativspeicher mit Transfluxoren Assoziativspeicher mit integrierten Transistoren Supraleitende Assoziativspeicher Speicher mit komplizierterem assoziativem Zugriff Algorithmische Methode zum Lesen von Informationen in geordneter Reihenfolge Sortierspeicher mit Sortierung bei der Eingabe Sortierung der Information bei der Ausgabe Mehrfunktionsspeicher Allgemeines 265

6 Inhalt Prinzip der mehrfunktionellen Speichermatrix mit äußerer Logik Grundelemente der Mehrfunktionsspeicher Aufbau und Anwendungsbeispiele von Mehrfunktionsspeichern Prinzip der Speichermatrix mit innerer Logik Magnetische Bubble-Domänen-Speicher Theoretische Grundlagen Materialien für Einrichtungen auf der Grundlage magnetischer Bubble- Domänen Anforderungen an die Materialien Zusammensetzung geeigneter Materialien Herstellung der Schichten Schaltungstechniken zur Manipulation zylindrischer Domänen Gesteuerte Fortbewegung von Bubble-Domänen Erzeugung von Bubble-Domänen Vernichtung von Bubble-Domänen Bubble-Logikschaltungen Realisierung steuerbarer Bubble-Übertrager Detektoren für zylindrische Domänen Realisierung von Bubble-Speichern Allgemeines Haupt-/Nebenschleifen-Speicher Autonomes Speicherchip mit Bubble-Dekodierer Schieberegister mit dynamischer Sortierung Technologie der Schaltungsmuster 295 Literatur 296 Sachregister 312