Manyetik Bellek Çekirdeklerinin Üretimi
Tablolama Bölümünüzü Bir Hizmet Departmanı Yapın
İngiliz Dijital Bilgisayarlarının Bir İncelemesi
C. L. Snyder
Başkan Yardımcısı, General Ceramics Corp.
Keasbey, N.J.
Giriş
Elektronik dijital bilgisayarlar ilk kez 1940'ların ortalarında uygulamaya geçirilmiştir. O zamandan bu yana, hızları ve güvenilirlikleri arttıkça, bu bilgisayarlar endüstriyel ve askerî mühendislik problemlerini çözmek, üretim kontrollerini yürütmek ve büro işlemlerini hızlandırıp basitleştirmek için giderek daha yaygın biçimde kullanılmaktadır. Bilgisayar sistemindeki en önemli bileşenlerden biri bellektir; çünkü bilgisayarın hemen her işlemi ona erişim gerektirir.
Çoğu büyük modern bilgisayarda dahili belleğin kalbi, ferrit manyetik bellek çekirdeğidir. Bu, istenen herhangi bir sırayla bilgi elde edilmesine olanak tanıyan yüksek hızlı rastgele erişimli bellekler sağlamanın bugüne kadar geliştirilmiş en güvenilir yoludur. Bu küçük manyetik çekirdekler ilk kez küçük miktarlarda kullanılabilir hâle geldiğinde, maliyetleri—mevcut diğer sistemlerle rekabet edebilir olmakla birlikte—yüksekti; birim başına neredeyse 50 sentti. Bu durum, bilgisayar endüstrisinin büyümesi için bir sorun gibi görünmüştür; ancak son beş yıl içinde General Ceramics, tesis yatırımları ve araştırmalar yoluyla maliyeti birim başına yaklaşık 3 sente düşürmüş, kaliteli çekirdeklerin verimini %30'dan %98'e yükseltmiş ve günlük üretimi 1.000'den 250.000'e çıkarmıştır.
Tarih
Elektronik dijital bilgisayarlar için ilk pratik bellek aygıtı cıva gecikme hattıydı ve bazı erken dönem dijital bilgisayarlar bu depolama yöntemi kullanılarak yapıldı. Birkaç yıl içinde bu gecikme hatlarının yerini, daha hızlı çalışan ve bellek boyutunun artırılmasına olanak veren katot ışını elektrostatik depolama tüpleri aldı. Ancak depolama tüplerinin kurulumu ve bakımı pahalıydı; ayrıca bellek uçucuydu ve birkaç saatte bir hatalara açıktı.
Kısa süre sonra, manyetik aygıtlar kullanılarak hata yapmayan, kalıcı nitelikte, nispeten küçük bir hacimde çok sayıda bellek bitine sahip ve çok daha düşük maliyetli bir bellek depolama sistemi kurmanın mümkün olduğu anlaşıldı. Metalik bant sarımlı çekirdekler kullanılarak birkaç bellek yapıldı ve bunlar, düşük maliyet dışında, bu avantajların tümünü gösterdi.
Bu arada ferritlerin bellek aygıtı olarak kullanılmasıyla ilgili deneyler yürütülüyordu. Ferritler, metalik manyetik malzemelerin birçok özelliğine sahip olan, ancak iç dirençleri son derece yüksek olan manyetik seramik malzemelerdir. Ferritler girdap akımlarını ihmal edilebilir düzeye indirir ve böylece daha yüksek frekansları işleyebilme yeteneğine sahip olur. Bu da onların çok daha küçük elektriksel darbelerle çalışabilmesini sağladı. Deneyler ayrıca, ferritlerin çakışan akım devrelerinde metalik bantların en iyilerinden iki ila dört kat daha hızlı tepki süresine sahip olacak şekilde yapılabildiğini gösterdi.
1940’ların sonlarında, General Ceramics’in Araştırma Direktörü ve ferrit malzemelerin geliştirilmesinde öncü bir isim olan Dr. Ernst Albers-Schoenberg, dikdörtgen histerezis çevrimi deseni sergileyen benzersiz bir ferrit malzeme geliştirdi. Bu malzeme bellek depolama sorununa pratik bir çözüm sağladı. Özünde aynı malzemeler bugün çekirdeklerde kullanılmaktadır.
Dikdörtgen histerezis çevrimli ferrit çekirdek, belirli bir eşik değerini aşan küçük bir sürücü enerjisiyle manyetize edilir ve enerji kapatıldığında çekirdek manyetize halde kalır. Ancak aynı büyüklükte ters yönde bir enerji uygulandığında manyetik kutupluluk tersine döner. Çekirdek, zamanın ya da özel olarak uygulanan sürücü kuvveti dışındaki herhangi bir dış etkinin etkisi olmaksızın, kararlı manyetizasyonun iki durumundan birinde kalır.
Her çekirdek, dijital bilgisayarlarda kullanılan ikili sayı sisteminin temeli olan 1 veya 0 sayılarıyla ilişkilendirilebilen tek bir bilgi bitini depolar. Bir devreler sistemi aracılığıyla bu bilgi, çözülmekte olan problemin çözümünü sağlamak üzere toplama ve çıkarma aritmetik işlemlerine ayrıştırılır.
Aralık 1949’da Dr. Albers-Schoenberg bulgularını yayımladı. Bu çalışmalar, güvenilir ve büyük kapasiteli yüksek hızlı bir bellek sistemi geliştirilmesiyle yakından ilgilenen Massachusetts Institute of Technology’nin Lincoln Laboratories biriminden William Papian’ın dikkatini çekti. Bunun sonucunda General Ceramics ile Lincoln Laboratories’in yakın işbirliği içinde çalıştığı ortak bir geliştirme programı ortaya çıktı. Bir yıl içinde ferrit çekirdekler, rastgele erişimli bellek aygıtlarında kullanılmak üzere ticari olarak temin edilebilir hale geldi.
Bu çekirdeklerin ilki, MIT Whirlwind dijital bilgisayarındaki elektrostatik depolama tüpü belleğinin yerini almak için kullanıldı. Yeni bellek, önceki sistemle aynı boyutta olmasına karşın üç kat daha hızlıydı, yalnızca dörtte biri kadar yer kaplıyordu ve klima yükünü dört ton azaltıyordu. Ek bir sonuç olarak, bellek hataları yirmi dört saatte iki ila üçten, kullanımın ilk altı ayında yalnızca bire düştü.
Üretim
En yenileri bir mikrosaniyelik tepki süresine sahip olan ferrit çekirdekler, sürücü devre tarafından üretilen tüm akının mümkün olan en büyük manyetik malzeme alanına bağlanabilmesi için halka şeklinde üretilir. Halkalar son derece küçüktür. Günümüzde mevcut iki boyuttan birinin dış çapı 0,080 inç ve iç çapı 0,050 inçtir; diğerinin dış çapı ise yaklaşık 0,059 inçtir.
Ticari üretim, %95’i 0,5 mikrondan daha ince olan saf kırmızı demir oksitle başlar; buna istenen manyetik özellikleri sağlamak için diğer iki değerlikli metallerin oksitleri, hidroksitleri veya karbonatları eklenir. Sonraki şekillendirme işlemlerine yardımcı olmak üzere bağlayıcılar ve yağlayıcılar da ilave edilir. Uzun süreli yaş bilyalı öğütme, çok ince ve homojen bir karışım elde edilmesini sağlar.
Ferrit malzemesi kurutulur ve elde edilen üründen çekirdekler preslenir ve pişirilir. Pişirme, performansı etkileyen başlıca etkenlerden biri olduğundan, ferrit üretimi için sıcaklıkların, ısıtma ve soğutma hızlarının ve ısıtma, bekletme ve soğutma sırasında kullanılan özel atmosferlerin tam denetimine dayanan tamamen yeni bir fırın teknolojisi geliştirilmiştir.
General Ceramics, dikdörtgen histerezis çevrimli malzemeler dışında geniş bir ferrit ürün yelpazesi üretmektedir ve bu kapsamlı geliştirme ve üretim çalışması, bellek çekirdeklerinin üretiminde son derece avantajlı olan malzemelere, üretim kontrolüne ve ekonomik kazanımlara yol açmıştır. Bu diğer ferritler farklı kimyasal bileşimlere sahiptir, farklı fiziksel ve termal işlemlere tabi tutulur ve bellek çekirdeklerinkinden farklı manyetik özellikler gösterir. Bunlar, daha önce tür veya derece bakımından elde edilmesi mümkün olmayan birçok özgül manyetik işlevi yerine getirecek şekilde tasarlanmıştır.
Örneğin, küçük bir ferrit anten çubuğu zayıf radyo sinyallerini o kadar etkili biçimde toplar ki, taşınabilir tel sarımlı antenleri geçersiz kılmış ve aynı zamanda minyatür taşınabilir radyoları mümkün kılmıştır. Diğer ferrit türlerinin de önemli uygulamaları vardır: kayıt kafaları için manyetik çekirdekler, doyurulabilir reaktörler, sapma boyundurukları, geçirgenlik ayarlayıcıları, kalıcı mıknatıslar ve özel transformatörler. Bazıları, farklı frekans bantları içinde yüksek verimler sağlamak üzere özel olarak tasarlanmış manyetik malzemelerdir.
İki alışılmadık nitelik dikkat çekmektedir. Birincisi, bu mıknatısların elektriksel yarı iletken olmalarıdır; bunun sonucu olarak girdap akımı kayıpları çok düşük düzeylere indirilebilir. İkincisi ise bileşimin değiştirilmesiyle mıknatıslara geniş bir manyetik geçirgenlik ve koersiv kuvvet aralığının kazandırılabilmesidir. Örneğin, demanyetizasyona karşı direncin bir ölçüsü olan çok yüksek bir koersiv kuvvet, bazı baryum ferritlerde geliştirilmiştir; bunun sonucu olarak kalıcı mıknatıslar, diğer herhangi bir manyetik malzemeye göre demanyetizasyona daha büyük ölçüde direnç gösterir.
Test ve Kullanım
Beş yıl önce üretim başladığında, tamamlanmış bellek çekirdeklerini test edecek hiçbir ekipman mevcut değildi. Test ekipmanlarının evrimi, çekirdeklerin geliştirilmesiyle paralel ilerlemiştir. Bazı test cihazları artık ticari olarak temin edilebilmektedir; ancak General Ceramics tarafından test ekipmanlarının tasarlanması, geliştirilmesi ve değiştirilmesi, üretim faaliyetinin ayrılmaz bir parçası haline gelmiştir.
Bu ekipmanlar; geçirgenlik ve koersiv kuvvet ölçüm aygıtlarını, akım kalibratörlerini, gerilim kalibratörlerini, düşük seviyeli algılama yükselteçlerini, akım kaynaklarını ve yüksek hızlı çekirdek taşıyıcılarını içerir.
Bu ekipmanların tasarımında dikkate alınan iki temel alan akım kaynakları ve çekirdeklerin taşınmasıdır. Akım kaynağı test ekipmanı, tel sistemine yüksek derecede bozucu dış etki sokarken mümkün olan en küçük elektriksel bilgi darbesini benzetir; bu, çekirdeğin kararlılık düzeyini belirler. Bu durum hiçbir zaman büyük bir sorun oluşturmamıştır.
Test ekipmanı yapımındaki güçlüklerin çoğu, bir toplu iğne başı büyüklüğünde olan çok küçük çekirdeklerin taşınması etrafında yoğunlaşmıştır. Başlangıçta işlem tamamen manueldi ve test akımını taşıyan bir tel her bir çekirdeğin içinden elle geçirilirdi. Bu yöntemle günde yalnızca 1.000–1.500 çekirdek test edilebiliyordu.
Daha sonra günde 6.000–8.000 çekirdeği işleyebilen otomatik bir çekirdek taşıyıcı geliştirildi; ancak reddedilecek çekirdekleri belirlemek yine operatöre bağlıydı. Bir sonraki adım, insan kararını ortadan kaldırmak için tam otomatik bir test cihazının geliştirilmesi oldu. Bunların ilki saniyede bir çekirdek, yani sekiz saatlik bir günde 25.000 çekirdek işliyordu.
Tam otomatik taşıma ve test ekipmanı daha sonra iki kez yükseltildi. İlk iyileştirmede çekirdek taşıma hızı saniyede dörde çıkarıldı. Günümüzde kullanılan ekipman saniyede on çekirdeği, yani sekiz saatlik bir günde 250.000 çekirdeği işlerken, çekirdeğin ek parametrelerini de ölçmektedir.
Çekirdek test ve taşıma hızları arttıkça, üretimdeki iyileştirmeler de buna ayak uydurmuş ve çekirdek reddetme oranı keskin biçimde düşmüştür.
Çekirdek Performansı: Günümüz ve Gelecek
Günümüz çekirdekleri büyük, yüksek hızlı dijital bilgisayarlarda ve ara bellekler, dijital voltmetreler, endüstriyel programlayıcılar, yedeklilik aygıtları ve hatta müzik kutuları gibi diğer ekipmanlarda kullanılmaktadır. Kalite ve performans bakımından yeknesaktırlar, süresiz olarak kararlıdırlar, kullanımda ekonomiktirler, ölçüm ve kalibrasyonları ucuzdur ve tepki süreleri hızlıdır. Bununla birlikte geliştirme çalışmaları etkin biçimde sürdürülmekte ve daha yüksek performans standartlarına sürekli olarak ulaşılmaktadır.
Önceki çekirdeklerin 0,080 inçlik dış çapına karşılık, 0,050 inç dış çapa sahip çekirdeklerin üretimine başlanmıştır; bu değişiklik, fit küp başına çok daha fazla bilgi bitinin depolanmasına olanak verir. Daha küçük çekirdekler ayrıca, daha yüksek güvenilirliğe ve daha basit devrelere sahip transistör sürücülerinin kullanılmasına imkân tanır. Günümüzde yaklaşık bir mikrosaniyelik anahtarlama sürelerine sahip malzemeler, yakında anahtarlama hızı iki kat olan yeni malzemelerle tamamlanacaktır.
Böylece, iyileştirme ve mükemmelleştirme mücadelesi sürmektedir.