DE1239733B - Verfahren und Anordnung zum zerstoerungsfreien Lesen binaerer Informationen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

GlIc

Deutsche Kl.: 21 al-37/06

Nummer: 1 239 733

Aktenzeichen: J 23231IX c/21 al

Anmeldetag: 22. Februar 1963

Auslegetag: 3. Mai 1967

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum zerstörungsfreien Lesen von binären Informationen aus magnetischen Dünnschicht-Speicherzellen, in deren unmittelbarer Nähe metallische Leiter als Betriebsleiter für die Speicherfunktionen Einschreiben und Entnehmen und als deren Rückleiter angeordnet sind.

Magnetische Dünnschicht-Datenspeicher besitzen bistabile magnetische Dünnschichtelement, die eine durch den Herstellungsprozeß bedingte uniaxiale Anisotropie der remanenten Magnetisierung aufweisen. Im Ruhezustand, d. h. ohne Einwirkung äußerer Felder, ist die Magnetisierung jeder Speicherzelle bestrebt, sich in eine der beiden Vorzugslagen, der sogenannten leichten Richtung, der Magnetisierung auszurichten. Den beiden entgegengesetzten Richtungen der leichten Achse der Magnetisierung werden die binären Informationswerte »Null« (0) und »Eins« (L) zugeordnet.

Vorzugsweise werden Speicheranordnungen betrachtet, deren Speicherzellen aus Elementen in der Größenordnung eines Quadratmillimeters dünner Schichten von etwa 1000 Ä Dicke aus Magnetmaterialien mit vemachlässigbar kleiner Magnetostriktion wie die unter dem Namen Permalloy bekannte NiFe-Legierung bestehen. Derartige Speicher werden im folgenden Magnetschichtspeicher genannt. Diese dünnen Magnetschichten können beispielsweise auf der Mantelfläche zylindrischer Grundkörper Ringe bilden, deren Vorzugsrichtung der Magnetisierung zirkulär verläuft. Jedoch sollen insbesondere im folgenden ebene Magnetschicht-Speicherzellen in Betracht gezogen werden. Beim Ändern der Richtung der Magnetisierung durch den Einfluß äußerer Felder kann bei ebenen Speichern, wenn diese Treibfelder stark genug sind, die Magnetisierung durch kohärentes Drehen aller Magnetisierungsvektoren erfolgen, wobei sich die Magnetisierungsvektoren innerhalb der Schichtebene drehen. Dieses nur den dünnen Schichten eigentümliche Rotationsschalten erfolgt wesentlich schneller als das sogenannte Wandschalten, das vornehmlich bei dickem Magnetmaterial die Regel ist.

Im letzteren Fall nimmt eine Domäne, die durch eine Wand von der benachbarten getrennt ist, zeitlich nach der anderen Domäne den neuen Magnetisierungszustand an. Dieser Vorgang braucht naturgemäß zu seiner Ausbreitung über die gesamte Speicherzelle eine längere Zeit. Mittels ausreichend starker Treibfelder kann jedoch die Magnetisierung einer dünnen Schicht kohärent, beispielsweise in eine Lage der harten Richtung, d. h. die zur Richtung der !eich

verfahren und Anordnung zum zerstörungsfreien Lesen binärer Informationen

Anmelder:

International Business Machines Corporation, Armonk,N.Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. E. Böhmer, Patentanwalt, Böblingen, Sindelfinger Str. 49

Als Erfinder benannt:

Wolfgang Dietrich, Adliswil; Dr. Helmut P. Louis, Zürich (Schweiz)

Beanspruchte Priorität:

Schweiz vom 8. März 1962 (2801)

ten Achse senkrecht verlaufende Richtung, geschaltet werden. Auch das freie Zurückschalten in die leichte Richtung der Magnetisierung nach Wegfall der Treibfelder kann in kohärenter Weise erfolgen, wenn dann noch zur Vermeidung des Aufspaltens der Schicht eine in einer der beiden Vorzugsrichtungen der leichten Achse wirksame äußere Feldkomponente vorhanden ist, die einsinniges Rotieren der Magnetisierung der Speicherzelle in die leichte Richtung ermöglicht.

Zum Betrieb von Speicheranordnungen sind bekanntlich einerseits Mittel erforderlich, mit deren Hilfe der Magnetisierungszustand der Speicherzellen beeinflußt werden kann, und andererseits Mittel, um gespeicherte Informationen ablesen zu können. Bei Magnetschichtspeichern sind nun elektrische Leiter erster Art, meist in Form von Streifenleitungen, vorhanden, durch die mittels selektiver Schaltmittel von Treibverstärkern herrührende elektrische Ströme oder Stromimpulse geführt werden, deren Magnetfelder die magnetischen Speicherzellen beeinflussen. Zum Einschreiben von binären Informationen wird nach dem Auslenken der Magnetisierung in die harte Richtung durch von Schreibimpulsen herrührende zusätzliche Felder die Rückkehr der Magnetisierung der ausgewählten Speicherzelle in eine vorbestimmte Ruhelage (0 oder L) in der leichten Richtung er-

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zwungen. Weiter sind Leiter zweiter Art zum Ablesen der gespeicherten Informationen vorgesehen. Weil nun statische magnetische Zustände nur mit sehr großen Aufwand erkennbar und damit ablesbar wären, benutzt man als Lesesignale die bei magnetischen Flußänderungen auftretenden, in den Leseleitungen induzierten entsprechenden Spannungssignale. Zur Erzeugung der Flußänderungen wird die Magnetisierung der Speicherzellen von der leichten Richtung der Ruhelage (0 oder L) durch Anlegen eines Treibimpulses mittels der Leiter erster Art kohärent in die harte Richtung geschaltet. Je nachdem, welche der Vorzugslagen der leichten Richtung die Magnetisierung der Speicherzellen vorher eingenommen hatte, entsteht in den Leitungen zweiter Art ein charakteristisches Spannungssignal, das als binäre »Null« oder »Eins« identifiziert werden kann. Durch diesen Schaltvorgang, der selektiv erfolgen muß, um die in einer auszuwählenden bestimmten Speicherzelle vorhandene binäre Information abzulesen, wird demnach der Informationsinhalt der abgefragten Speicherzelle zerstört.

Für die möglichst gute Brauchbarkeit einer Speicheranordnung in elektronischen datenverarbeitenden Anlagen sind eine Reihe sich teilweise gegenseitig ausschließende Forderungen zu erfüllen. So soll ein derartiger Speicher ein großes Fassungsvermögen, z. B. eine Speicherkapazität von mehreren tausend Binärwörtern haben. Um eine möglichst große Anzahl von Speicherelementen unterbringen zu können, müssen die einzelnen Elemente möglichst klein sein. Kleine Elemente erzeugen jedoch auch nur kleine Signale, die für die weitere Anwendung entsprechend hoch verstärkt werden müssen. Zum Schalten der kleinen Elemente von Magnetschichtspeichern muß für die Erzeugung brauchbarer Lesesignale die Anisotropie-Feldstärke der Schicht mittels der Treibimpulse gut überschritten werden. Weiter sollen für elektronische Rechenautomaten verwendete Speicher eine möglichst kleine Zugriffszeit haben. Für derart schnelle Magnetschichtspeicher wird man deshalb nur das gegenüber dem Wandschalten wesentlich schnellere Rotationsschalten der Magnetisierung anwenden wollen. Auch in diesem Fall ist es wichtig, daß für die Eindeutigkeit des Schaltvorganges die Anisotropie-Feldstärke des Magnetmaterials durch das Feld der Treibimpulse gut überschritten wird. Da jedoch durch einen Lesevorgang dieser Art die in der Zelle gespeicherte Information gelöscht wird, muß der Arbeitszyklus zum Betrieb der Speicheranordnung auch für das Wiedereinschreiben der abgelesenen Information eingerichtet sein. Um die gespeicherte Information nach ihrer Entnahme weiterhin im Speicher verfügbar zu halten, ist es erforderlich, die durch den Lesevorgang gelöschte Information wieder in den Speicher einzuschreiben. Dadurch wird aber der Arbeitszyklus auch für alle diejenigen Fälle in unnötiger Weise verlängert, in denen nur Informationen aus dem Speicher abzulesen sind und im übrigen der Speicherinhalt unverändert bleiben könnte.

Für eine echte zerstörungsfreie Ablesung gespeicherter Informationen aus einem Magnetschichtspeicher ist es bekannt, mit der Feldstärke der Treibimpulse unterhalb der Anisotropie-Feldstärke zu bleiben und infolgedessen auch nur ein Lesesignal mit einem Bruchteil der Intensität zu erhalten, die bei der oben zuerst genannten Betriebsweise möglich ist. Diese schwachen Treibimpulse sind nämlich nicht dazu befähigt, die Magnetisierung der Speicherzelle um volle 90° zu drehen und in die harte Richtung zu schalten, sondern lenken sie nur um etwa 50 bis 60° aus der leichten Richtung heraus. Nach Wegfall der Treibfelder ist zwar damit die freie Rückkehr der Magnetisierung in die ursprüngliche Ruhelage der leichten Richtung gesichert, aber die erzielbaren Lesesignale haben auch nur eine Intensität von höchstens 10 bis 20% der maximal bei vollständigem Rotationsschalten um 90° in die harte Richtung und bei voller Aussteuerung bis in die Sättigung möglichen Amplitude.

Bei weitergehender Auslenkung der Magnetisierung bis ganz in die harte Richtung geht nach Wegfall der Treibfelder die Information, wenn eine in eine bestimmte Ruhelage zurücktreibende äußere Feldkomponente fehlt, dadurch verloren, daß die freie Rückkehr der remanenten Magnetisierung der Speicherzellen in ihre Ruhelage in der leichten Richtung nicht mehr eindeutig in die ursprüngliche Ruhelage erfolgt. Wegen der unvermeidbaren Winkelstreuungen der leichten Magnetisierungsrichtung einzelner Kristallite eines Schichtelementes gegenüber der leichten Richtung der Anisotropie des gesamten Schichtelementes spaltet bei dem freien Zurückdrehen der Magnetisierungsvektoren die Schicht in viele einzelne kleine Domänen mit unter sich verschiedener Richtung der Magnetisierung auf, d. h., ein Teil der Domänen geht in die Null-Lage und ein Teil in die Eins-Lage zurück. Damit ist aber die gespeicherte Information in der aufgespaltenen Schicht nicht mehr eindeutig ablesbar.

Es ist weiterhin bekannt, zur zerstörungsfreien Informationsentnahme eine Magnetschicht-Speicheranordnung zu verwenden, die für jede Speicherzelle zwei dicht übereinanderliegende Magnetschichtelemente aufweist, von denen das eine als Speicherelement und das andere als Abfrageelement verwendet wird (»Journal of Applied Physics«, Supplement zu Band 30, Nr. 4, April 1959, S. 54S und 55S). Die Koerzitivkraft beider Elemente ist verschieden, so daß durch angelegte Abfrageimpulse jeweils nur das Abfrageelement ummagnetisiert wird, während die Magnetisierungsrichtung des Speicherelementes unverändert erhalten bleibt. Das Streufeld des Speicherelementes bestimmt die Drehrichtung bei der Rückmagnetisierung des Abfrageelementes, nachdem der Abfrageimpuls abgeklungen ist, wodurch das Abfrageelement nach Beendigung der Leseoperation wieder denjenigen Speicherzustand einnimmt, in dem es sich vor dem Beginn der Leseoperation befand. Diese Anordnung hat gegenüber dem erfindungsgemäßen Verfahren den Nachteil, daß sie einen doppelten Aufwand für jede Speicherzelle benötigt und außerdem besondere Maßnahmen erfordert, um sicherzustellen, daß die Magnetschichtelemente einer Speicherzelle die gewünschten unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften aufweisen.

Ferner ist es zum Zweck der zerstörungsfreien Wertentnahme aus Magnetschichtspeichern bekannt, einen bandförmigen Abfrageleiter im Bereich der Speicherzellen mit einer Einschnürung zu versehen, die den Zweck hat, daß jeweils nur ein kleiner Teil

6g einer Speicherzelle mit einem für eine Ummagnetisierung ausreichend starken Abfragefeld beaufschlagt wird. Der übrige Teil der Zelle bleibt dadurch während der Abfrageoperation in seiner ursprünglichen

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Speicherlage und veranlaßt nach Abklingen des Ab- Fig. 3 eine Seitenansicht einer Speicherzelle mit frageimpulses durch Streufeldwirkung eine Rück- dem Feldverlauf kurz nach dem Schalten der Magnestellung des ummagnetisierten Teiles des Speicher- tisierung in die harte Richtung,
elementes. Da bei dieser Anordnung jeweils nur ein F i g. 4 a den zeitabhängigen Verlauf der in beTeilbereich eines Magnetschichtelementes an der Er- 5 nachbarten metallischen Leitern induzierten Wirbelzeugung eines Lesesignals beteiligt ist, weist dieses ströme,

Lesesignal nur eine verhältnismäßig kleine Ampli- Fig.4b die nutzbare Länge eines Treibimpulses

tude auf, zu deren Aussonderung aus den Vorhände- im Zusammenhang mit den Wirbelströmen,

nen Störsignalen ein erheblicher Aufwand benötigt In Fig. 1 ist in perspektivischer Darstellung ein wird. ίο stark vergrößerter Ausschnitt aus einem ebenen Ma-

Es ist bei Magnetschichtspeichern auch bekannt, gnetschichtspeicher mit einer einzelnen Speicherzelle

metallische Trägerplatten für die magnetischen EIe- gezeigt. Eine gut leitende metallische Grundplatte 11

mente zu verwenden, in denen durch die Treiber- trägt auf einer isolierenden Zwischenschicht 12 die

ströme Wirbelströme induziert werden, welche die Speicherzelle 13. Diese besteht aus einem ferroma-Wirkung der Treibströme in den magnetischen EIe- 15 gnetischen Material mit einer ausgeprägten Vorzugs-

menten unterstützen (Journal Brit. IRE, Oktober richtung der remanenten Magnetisierung. Im Ruhe-

1960, S. 765 bis 784). zustand, d. h. ohne die Einwirkung äußerer Felder,

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nimmt die Magnetisierung eine der beiden Lagen (0 darin, ein Verfahren und eine Anordnung zum zer- oder L) in Richtung der mit ε bezeichneten leichten störungsfreien Wesen von Informationen von magne- 20 Achse ein. Die Grundplatte 11 besteht aus einem tischen Dünnschichtspeichern anzugeben, welche die elektrisch gut leitenden Metall, wie Kupfer oder SiI-vorausgehend erläuterten Nachteile der bekannten ber. Es hat sich herausgestellt, daß es für Magnet-Anordnungen vermeidet, indem sie auch bei Magnet- schichtspeicher günstig ist, die je ein einzelnes »Bit« schichtzellen, die nur aus einem einzelnen Magnet- darstellenden Speicherzellen 13 unmittelbar oder mit schichtelement bestehen, eine volle Lesesignalampli- 25 einer sehr dünnen, gegebenenfalls isolierenden, Zwitude gestattet. Die Erfindung macht dabei von dem schenschicht 12 auf einer gut leitenden metallischen an sich bekannten Umstand Gebrauch, daß Wirbel- Grundplatte 11 anzuordnen. Die metallische Grundströme, die durch die Treibstromimpulse in den Spei- platte 11 dient als gemeinsamer Rückleiter für die cherzellen benachbarten Leiterteilen induziert wer- mit Verstärkern und selektiven Schaltmitteln verden, für den Speicherbetrieb ausgenutzt werden kön- 30 sehenen Leiter erster und zweiter Art, die zum Benen. Demgemäß besteht die Erfindung bei einem treiben der Speicheranordnung erforderlich sind. Verfahren zum zerstörungsfreien Lesen von Informa- Diese Leiter erster und zweiter Art sind vornehmlich tionen aus magnetischen Dünnschicht-Speicherzellen, als Streifenleitungen hergestellt, die unter Zwischenin deren unmittelbarer Nähe metallische Leiter als lage sehr dünner Isolierschichten beispielsweise in Betriebsleiter für die Speicherfunktionen Einschrei- 35 einer »wort-organisierten« Anordnung über die einben und Entnehmen, und als deren Rückleiter an- zelnen Speicherzellen geführt sind. Diese Art der geordnet sind, darin, daß der in einem der Betriebs- Leitungsführung mit metallischer Grundplatte als leiter auftretende, eine Wertentnahme auslösende gemeinsamen Rückleiter setzt die Impedanz dieser Treibimpuls so bemessen wird, daß durch die Ma- Leiter erheblich herab, so daß das Betreiben dieser gnetfeldkomponenten der in den benachbarten 40 Leitungen im Impulsbetrieb mit außerordentlich Metallteilen durch das Rotationsschalten der Spei- hoher Impulsfolgefrequenz nicht mehr so hohe Spancherzelle induzierten Wirbelströme eine Rückmagne- nungen, d. h. Impulsamplituden erfordert, als in tisierung der Zelle in die vor Beginn des Entnahme- anderen Fällen. Die Impedanz der Leiter ist z. B. Treibimpulses eingenommene Magnetisierungslage wesentlich größer, wenn bei auf isolierende Grunderfolgt. 45 platten, z. B. auf Glas, aufgedampften Magnetschich-

Eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen ten die Streifenleitungen die gesamte Anordnung umVerfahrens geeignete vorteilhafte Speicheranordnung schlingen, wodurch Hin- und Rückleitung einen um mit den beiden Seiten einer magnetischen Speicher- die Dicke der Glasplatte vergrößerten Abstand vonzelle benachbarten metallischen Leitern kennzeichnet einander erhalten.

sich dadurch, daß die metallischen Leiter in ihrem 50 Durch den verringerten Abstand der beiden Leiter,

Querschnitt und Umfang sowie in ihrer Lage zur ma- d. h. der Streifenleitung und der metallischen Grand-

gnetischen Speicherzelle so ausgebildet sind, daß die platte als Rückleiter, wird die Impedanz der für den

beim Rotationsschalten der Speicherzelle induzierten Impulsbetrieb als bandförmige parallele Hochfre-

Wirbelströme Magnetfelder zu liefern im Stande sind, quenzenergieleitung auffaßbaren Treibleitung im

deren Stärke nach Beendigung des Treibimpulses 55 günstigen Sinn verkleinert. Ein anderer Effekt, der

zum Rückschalten der Speicherzelle in ihre Aus- daher kommt, daß diese Leitung die einzelnen ma-

gangslage ausreicht. gnetischen Schichtelemente so dicht umschlingt, ist

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfin- jedoch das Auftreten von Wirbelströmen innerhalb

dung sind aus den Ansprüchen zu ersehen. Nachfol- der Leiter im Augenblick des Umschaltens der Ma-

gend wird die Erfindung an Hand eines Ausführungs- 60 gnetisierung der Magnetschichtspeicherzelle. Diese

beispieles in Verbindung mit Zeichnungen erläutert. verketteten Wirbelströme beeinflussen ihrerseits wie-

Es zeigt der die Magnetisierung der Schicht. Die Schalt-

F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Magnet- geschwindigkeit der Speicherzellen kann dadurch

Schichtspeicherzelle in perspektivischer Darstellung, unvorteilhaft herabgesetzt werden, weshalb man bis-

F i g. 2 eine Seitenansicht einer Speicherzelle im 65 her in Magnetschichtspeichern Anordnungen zu ver-

FaIl des statischen Feldes, wenn die Richtung der meiden trachtete, in welchen Wirbelströme auftreten

Magnetisierung mit der Richtung der leichten Achse können. Dies ist auch ein Grund, weshalb man bisher

zusammenfällt, die Magnetschichten auf isolierende Grundplatten

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und nicht auf gut leitende metallische Grundplatten eine Treibleitung 17. Mittels des magnetischen Feiaufbrachte, des von durch die Treibleitung laufenden Strom-Die Magnetschicht besteht im allgemeinen aus impulsen soll die Magnetisierung der Magnetschichteiner Nickel-Eisen-Legierung (z. B. Permalloy der Speicherzelle 13 in die harte Richtung geschaltet Zusammensetzung 80% Ni und 20¹Vo Fe) und hat 5 werden können. Die Treibleitung 17 muß deshalb beispielsweise eine Dicke von 500 A (IA=IO^-8Cm). möglichst genau in Z-Richtung, d.h. in Richtung Sie kann nach einem der bekannten Verfahren durch der leichten Achse ε der Magnetisierung der Ma-Aufdampfen oder Kathodenzerstäuben im Vakuum, gnetschicht verlaufen. In der Wahl der Richtung der durch chemisches Ausfällen oder elektrolytisches Leseleitung 15 ist man an sich frei; aber verschie-Niederschlagen auf die metallische Grundplatte her- io dene Gründe sprechen für eine orthogonale Angestellt sein. Durch Anwesenheit eines magnetischen Ordnung. Einmal werden auf diese Weise die Lese-Feldes während des Herstellungsprozesses wird der leitungen von den die Magnetisierung in die harte Magnetschicht die uniaxiale Anisotropie der rema- Richtung schaltenden Treibleitungen am besten entnenten Magnetisierung eingeprägt. Die einzelne koppelt, so daß nach Möglichkeit keine Störspan-Speicherzelle hat eine runde, ovale, quadratische 15 nungen in die Leseverstärker eindringen können, die oder rechteckige Form. Zweckmäßig ist die recht- unmittelbar durch die Treibstromimpulse induziert eckige Ausbildung der Zellen, wobei die Vorzugs- werden und nicht von dem Rotationsschalten der richtung oder leichte Achse der Magnetisierung par- Magnetisierung der Speicherzellen herrühren. Zum allel zur längeren Kante der Zelle verläuft. Die anderen sind für das Einschreiben der binären Infor-Länge einer Zelle beträgt z. B. 0,6 bis 0,7 mm, die 20 mation und die selektive Ansteuerung der einzelnen Breite etwa 0,3 mm. Die einzelnen Speicherzellen Speicherzellen weitere Treibleitungen erforderlich, sind in den meisten Fällen voneinander getrennte Be- die zweckmäßig in Y-Richtung verlaufen. Letztere reiche der Magnetschicht. Für das angegebene Bei- können gegebenenfalls mit den Leseleitungen konspiel der Abmessungen betragen die Abstände in der struktiv vereinigt werden.

Längsrichtung etwa 0,4 bis 0,5 mm und die Zwi- 25 Eine günstige Leitungsführung und Beschaltung schenräume in Querrichtung etwa 0,3 mm. Das des Magnetschichtspeichers mit den notwendigen Muster der in Reihen und Spalten angeordneten Zusatzeinrichtungen ist die sogenannte wort-organi-Speicherzellen kann auf verschiedene Weise her- sierte Anordnung. Je eine Gruppe von etwa 50 bis gestellt werden. Man kann während des Herstellungs- 100 Bits wird zu einem Wort zusammengefaßt, und Vorgangs, beispielsweise durch Aufdampfen im 30 die zu den einzelnen Binärstellen des Wortes geVakuum, mit geeigneten Abdeckmasken dafür sor- hörige binäre Information wird gleichzeitig und pargen, daß nur an den gewünschten Stellen der Grund- allel in den Speicher eingeschrieben oder aus dem platte die Speicherzellen entstehen. Es ist aber Speicher ausgelesen. Das bedeutet, daß in diesem ebensogut möglich, erst eine vollständig zusammen- Fall die Treibleitungen 17 identisch mit den sogehängende Magnetschicht nach einem der genannten 35 nannten Wortleitungen sind, von welchen je eine die Verfahren herzustellen und das Muster der Speicher- in Z-Richtung hintereinanderliegenden Bits des gleizellen nachträglich durch Entfernen der Zwischen- chen Wortes überdeckt. An diese Wortleitungen sind räume durch beispielsweise einen Photoätzprozeß Treibverstärker zur Bereitstellung der Stromimpulse, hervorzurufen. Es ist jedoch auch möglich, auf eine deren magnetisches Feld die Magnetisierung aller isolierende Trennung der einzelnen Speicherzellen 40 Speicherzellen eines Wortes gleichzeitig in die harte voneinander durch Zwischenräume zu verzichten Richtung zu schalten imstande ist, angeschlossen und die Speicherzellen als Bereiche der Magnet- sowie steuerbare Torschaltungen und Dekodiermitschicht unter den Kreuzungspunkten von Streifen- tel, um selektiv je nach der gewählten Adresse die leitungen zu definieren. Speicherzellen des betreffenden Wortes aktivieren zu

Die Zwischenschicht 12 besteht vorzugsweise aus 45 können. In der wort-organisierten Speicheranordeiner dünnen Lage von aufgedampftem Silizium- nung verlaufen in F-Richtung außer den Leseleitunoxyd. Außer der Isolierung der Speicherzelle 13 von gen 15 über den Speicherzellen noch weitere Treibder hochpolierten Grundplatte 11 aus einem elek- leitungen, mit deren Hilfe die binäre Information in irisch gut leitenden Metall wie Silber bewirkt diese die Speicherzellen des aufgerufenen Wortes einge-Zwischenschicht 12 eine Glättung und einen Aus- 50 schrieben werden kann. Diese sogenannten Bitgleich restlicher Oberflächenrauhigkeiten der me- leitungen überdecken in der harten Richtung der tallenen Grundplatte 11. Die Speicherzellenelemente Magnetisierung ebenso wie die Leseleitungen die in 13 können dann besser auf der Grundplatte 11 haf- F-Richtung in einer Reihe nebeneinanderliegenden ten. Auch ist ein günstiger Einfluß der SiO-Schicht Speicherzellen, die einer Binärstelle, aber jeweils verim Sinne einer Herabsetzung der Koerzitivkraft der 55 schiedenen Worten angehören. Je nach der Polarität Speicherzellen feststellbar. eines Stromimpulses in der Bitleitung sucht das mit

Als Repräsentanten für die zum Betreiben der dem Strom verkettete magnetische Feld die Magneti-

Speicheranordnung notwendigen Leiter erster und sierung der Speicherzellen in eine der Ruhelagen

zweiter Art sind in Fig. 1 Abschnitte sich kreuzen- (0 oder L) der leichten Richtung e zu drehen. Das ist der Streifenleitungen eingezeichnet. Diese kreuzen 60 aber nur sinnvoll für Speicherzellen, deren Magneti-

sich zweckmäßig unter rechten Winkeln, was in der sierung gerade unter dem Einfluß eines äußeren

Zeichnung durch karthesische Koordinatenachsen Treibfeldes in die harte Richtung ausgerichtet ist.

angedeutet ist. Die Z-Richtung ist identisch mit der Es werden durch die in den Bitleitungen geführten

Richtung der leichten Achse ε der Magnetisierung Schreibimpulse die für das Einschreiben der binären der Speicherzelle 13. Unmittelbar über der Speicher- 65 Information erforderlichen zurücktreibenden äuße-

zelle 13 ist in F-Richtung, getrennt durch eine Iso- ren Feldkomponenten geliefert, die nach Aufhören

lierschicht 14, die Leseleitung 15 angeordnet. Dar- der Treibimpulse für ein eindeutiges Rotationsschal-

über folgt in Z-Richtung eine Isolierschicht 16 und ten der Magnetisierung einer Speicherzelle in eine

vorbestimmte Ruhelage (0 oder L) notwendig sind. Die Schreibimpulse sind darum auch wesentlich schwächer als die Treibimpulse. Der Schreibimpuls in einer Bitleitung wirkt nur auf die zu dem Wort gehörige Speicherzelle ein, deren Magnetisierung durch einen Worttreibimpuls in die harte Richtung ausgelenkt ist. Die an der gleichen Bitleitung liegenden Speicherzellen, deren Magnetisierung sich in einer der beiden Ruhelagen befindet und die zu Worten der nicht angesteuerten Adressen gehören, bleiben durch den Schreibimpuls unbeeinflußt.

Der bei einer wort-organisierten Speicheranordnung gebräuchliche Arbeitszyklus ist daher folgender: Zum Schreiben wird mittels eines Treibimpulses in der Wortleitung eines ausgewählten Wortes die Magnetisierung der betreffenden Speicherzellen gleichzeitig in die harte Richtung geschaltet. Zeitlich gegenüber dem Worttreibimpuls etwas verschoben führen die Bitleitungen gleichzeitig je nach der zu speichernden binären Informationen polarisierte Schreibimpulse, die nach Abklingen des Worttreibimpulses die Rückstellmomente für das eindeutige Rotationsschalten der Magnetisierung der betreffenden Speicherzellen in die vorbestimmte Ruhelage (0 oder L) liefern. Zum Lesen der in den Speicherzellen der Binärstellen eines Wortes gespeicherten Informationen ist ein Treibimpuls in der Wortleitung notwendig, der in jeder Speicherzelle dieses Wortes gleichzeitig die Magnetisierung in die harte Richtung schaltet. Je nach der vorher eingenommenen Ruhelage (0 oder L) entsteht in jeder zu einer Binärstelle gehörigen Leseleitung ein entsprechendes Signal, das als binäre Null oder Eins ausgewertet wird. Durch den Lesevorgang wird die gespeicherte Information zerstört, da ohne zurücktreibende äußere Feldkomponenten die Rückkehr der Magnetisierung der Speicherzellen in die Ruhelage nicht eindeutig ist. Eine der Möglichkeiten zur Vervollständigung der Leseoperation besteht darin, daß nach Abklingen des Worttreibimpulses in allen Speicherzellen des abgelesenen Wortes die Magnetisierung in eine gemeinsame vorbestimmte Ruhelage, z. B. die Null-Lage, geschaltet wird. Dazu ist eine magnetische »Vorspannung« erforderlich, die durch das Magnetfeld eines permanenten Magneten oder eines Elektromagneten, oder durch das magnetische Feld eines Dauerstromes oder Stromimpulses in den Bitleitungen geliefert werden kann. Soll jedoch der abgelesene Informationsinhalt des Wortes in der Speicheranordnung erhalten bleiben, so mußte bisher auf den Worttreibimpuls des Lesezyklus ein Wiedereinschreiben durch entsprechende Schreibimpulse in den Bitleitungen folgen.

Nach der Erfindung werden jedoch die beim Rotationsschalten der Magnetisierung der Magnetschichtspeicherzellen in benachbarten metallischen Leitern auftretenden Wirbelströme als Energiespeicher ausgenutzt, deren Feld auf die Magnetisierung der Speicherzellen zurückwirkt zwecks Regeneration der ursprünglichen Information. Die Worttreibimpulse müssen in diesem Fall so stark sein, daß deren Treibfelder die Anisotropiefeldstärke der Magnetschichtspeicherzellen gut überschreiten. Werte von etwa dem 2fachen bis zum 6fachen Betrag sind günstig.

In Fig. 2 ist schematisch eine Speicherzelle im Fall des statischen Feldes, d. h. in der Ruhelage dargestellt. Die Richtung der leichten Achse der Magnetisierung entspricht der Richtung des Pfeiles M. Zur besseren Erkennbarkeit sind nur die für die erstrebte Wirkung wesentlichen Elemente gezeichnet. Normale Isolationen und Befestigungsmittel, auch weitere für den Betrieb der Speicheranordnung an sich notwendige Streifenleitungen sind in der Figur weggelassen. Die von der Längskante her gesehene Magnetschichtspeicherzelle 21 befindet sich auf der gut leitenden metallischen Grundplatte 22. Darüber

ίο ist in Form einer die ganze Speicherzelle 21 überdeckenden Streifenleitung 23 die in F-Richtung auf den Betrachter zu laufende Leseleitung angeordnet. Darüber folgt eine in X-Richtung in der Zeichenebene verlaufende als Streifenleitung ausgebildete Treibleitung 24, die z. B. eine Wortleitung sein kann. Die Bitleitung ist weggelassen. Wie durch den mit M bezeichneten, nach rechts weisenden Pfeil in der Speicherzelle 21 angedeutet ist, befindet sich die remanente Magnetisierung der Magnetschicht in

ao einer der beiden Ruhelagen in Richtung der leichten Achse. An den Enden der Magnetschicht der Speicherzelle 21 sind reguläre Magnetpole ausgebildet. Die zugehörigen magnetischen Feldlinien schließen sich in der gezeichneten Weise über den Außenraum.

Sie durchdringen dabei die benachbarten metallischen Leiter 22, 23 und 24 ähnlich wie wenn der Feldverlauf in Luft wäre, da die relative Permeabilität der benutzten Metalle sich hinreichend wenig von der Permeabilität in Luft unterscheidet.

F i g. 3 zeigt in ähnlicher Weise den Feldverlauf unmittelbar nach dem Rotationsschalten der Magnetisierung der Magnetschicht, wenn das ursprüngliche Magnetfeld noch durch die Wirbelströme in den benachbarten metallischen Leitern aufrechterhalten wird. Mit 31 ist die von der Längskante her gesehene Magnetschichtspeicherzelle bezeichnet. Sie befindet sich auf der metallischen Grundplatte 32. Die Leseleitung 33 ist in diesem Fall eine mit Schlitzen versehene Streifenleitung und besteht beispielsweise aus drei parallelen Leitern. Darüber befindet sich die zum Rotationsschalten der Magnetisierung in die harte Richtung nötige Treibleitung 34. Weiter ist ganz oben eine in Y-Richtung verlaufende Streifenleitung 35 eingezeichnet, die z. B. eine Bitleitung sein kann. Innerhalb der Speicherzelle 31 ist durch die symbolische Darstellung der Pfeilfedern mittels schrägliegender Kreuze angedeutet, daß die Magnetisierung M nun vom Betrachter weg nach hinten zeigt und damit in die harte Richtung weist. Im Außenraum, d. h. in den metallischen Leitern 32, 33, 34 und 35, ist das magnetische Feld, wie gezeichnet, noch in gleicher Weise ausgebildet wie zuvor im Fall des statischen Feldverlaufs. Das ist der Wirkung der in den benachbarten metallischen Leitern durch das schnelle Umschalten der Magnetisierung der Speicherzelle 31 induzierten Wirbelströme zuzuschreiben. Obwohl jetzt keine Magnetpole an den beiden äußeren Seiten der Speicherzelle 31 ausgebildet sein können, da voraussetzungsgemäß die Magnetisierung unter dem Zwang eines äußeren Treibfeldes gerade in die harte Richtung geschaltet sein soll, suchen sich doch die Feldlinien wie in der früheren Weise in X-Richtung zu schließen. Damit ist erklärbar, daß die zum Teil aus der Speicherzelle 31 herausgedrängten Feldlinien danach tendieren, die Magnetisierung der Speicherzelle 31 wieder zurück in die ursprüngliche Ruhelage in der leichten Richtung zu schalten, falls der Treibimpuls rechtzei-

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tig seine in die harte Richtung schaltende Wirkung impulse in den Bitleitungen mit Amplituden in der

verliert. Größenordnung von etwa 100 mA erforderlich sind.

Diese Zusammenhänge werden an Hand der Dieser Wert ist allerdings auch von der Impedanz Fig. 4a und 4b erläutert, die den zeitabhängigen der alle Speicherzellen einer Binärstelle Überdecken-Verlauf der in benachbarten metallischen Leitern 5 den Bitleitungen abhängig. Die Wirbelströme zur induzierten Wirbelströme und im Zusammenhang Erzeugung der die Magnetisierung zurücktreibenden damit die nutzbare Länge eines Treibimpulses als Feldkomponenten an Stelle eines durch einen Treib-Schaulinien darstellen. Fig. 4a zeigt qualitativ in impuls von außen angelegten Feldes entstehen jedoch willkürlichen Einheiten den zeitabhängigen Verlauf nur in den Metallteilen, die den Speicherzellen eines induzierter Wirbelströme I_e. Auf einen steilen An- io einzigen Wortes benachbart sind,
stieg bis zu einem maximalen Wert folgt ein lang- Die Abfallzeit der erzeugten Wirbelströme ist besamerer und etwa exponentieller Abfall. Man kann einflußbar durch die Art und Weise der Anordnung eine untere Grenze Z₀ für die Stärke der Wirbel- der benachbarten metallischen Leiter in bezug auf ströme angeben, bis zu der die Wirbelströme noch die Magnetschichtspeicherzelle. Ein wesentliches in der Lage sind, die in die harte Richtung ausge- 15 Element ist die verhältnismäßig starke metallische lenkte Magnetisierung einer Speicherzelle nach Ab- Grundplatte von beispielsweise 2 mm Dicke. Die klingen des Treibimpulses eindeutig in eine be- Speicherzellen müssen zumindest einseitig gut leitenstimmte Ruhelage zurückzuschalten. In der darunter den Metallmassen dicht benachbart sein, in denen gezeichneten Fig. 4b ist im gleichen Zeitmaßstab Wirbelströme entstehen können. Diese Wirbelströme der zeitabhängige Verlauf der Stromstärke I_w eines 20 bilden sich jedoch häufig nur in unzureichender Treibimpulses dargestellt. Die steile Stirnflanke die- Weise aus, wenn auf der Oberseite der Speicherzellen ses Treibimpulses verursacht das äußerst kurzzeitige keine weiteren wirksamen Metallmassen mehr vor-Rotationsschalten der Magnetisierung der Speicher- handen sind. Man kann ja beispielsweise, zumindest zelle und folglich auch den steilen Anstieg der Wir- in den unteren, den Speicherzellen nahen Lagen von beiströme I_e bis zum Maximalwert. Der weitere Ver- 35 Streifenleitungen (Leseleitungen, Treibleitungen) die lauf des Treibimpulses, der beispielsweise der Wort- Leitungen fein unterteilen, z. B. durch Längsschlitze, impuls in einer wort-organisierten Speicheranord- Auf diese Weise wird die Ausbildung von Wirbelnung sein kann, ist in der Figur etwa rechteckig strömen gehemmt oder unterbunden. Man hat daher angegeben. Es sind selbstredend auch andere Impuls- die Möglichkeit, die Intensität der Wirbelströme in formen wie nach Art einer Glockenkurve oder eine 30 gewünschter Weise zu dosieren.
Impulsform mit mehr nadelartigem Charakter mög- In der Anordnung nach F i g. 2 überdeckt z. B. in lieh. Unabhängig von der Form des Treibimpulses /,„ der ersten Lage der Streifenleitungen die Leseleitung entstehen die Wirbelströme I_e durch das Umschalten 23 die Speicherzelle 21 vollständig. Dadurch ist die der Magnetisierung der Speicherzelle und fallen von Entstehung starker Wirbelströme durch das Rotaihrem Maximalwert je nach der Leitfähigkeit der 35 tionsschalten der Magnetschicht gewährleistet. Ein benachbarten metallischen Leiter in etwa exponen- möglicher Nachteil ist jedoch der, daß in anderer tieller Weise ab. Der Treibimpuls /,„ soll innerhalb Richtung der gegenseitigen Wechselwirkung wegen der Zeit r beendet sein, dem Zeitraum, in dem die der Breite der Leseleitung 23 unverhältnismäßig Wirbelströme I_e noch stark genug zum eindeutigen starke Treibimpulse in der Treibleitung 24 erforder-Schalten sind und noch nicht unter den oben definier- 40 lieh sind, um die Magnetisierung der Speicherzelle ten Grenzwert Z₀ abfallen. 21 kohärent in die harte Richtung schalten zu kön-

Wesentlich ist daher, daß die Treibimpulse zum nen. Die Leseleitungen eines Magnetschichtspeichers

Schalten der Magnetisierung in die harte Richtung sollen zweckmäßig in unmittelbarer Nachbarschaft

kurz genug sind. Dann sind die durch das Rotations- der Speicherzellen angeordnet sein, um als Lesesignal

schalten der Magnetschicht erzeugten Wirbelströme 45 hinreichend große induzierte Spannungen übertragen

in den benachbarten Leitern noch nicht so weit ab- zu können. Damit nun das magnetische Feld der

geklungen und ihrerseits noch imstande, rückwir- Treibimpulse ungehindert zu den Speicherzellen drin-

kend die Magnetisierung der Schicht zu beeinflussen. gen kann, macht man zweckmäßig die Leseleitungen

Geeignete Werte für die mittlere Impulsbreite der möglichst schmal oder unterteilt sie durch Längs-

Treibimpulse in den Wortleitungen liegen zwischen 50 schlitze.

1 ns, der Größenordnung der Dauer des Rotations- In F i g. 3 ist als Ausführungsbeispiel die über die Schaltens in dünnen Magnetschichten, und etwa 50 ns Speicherzelle 31 geführte Leseleitung 33 unterteilt in (1 ns = 10~⁹ see). Zweckmäßig werden Werte klei- drei parallele Leiter dargestellt. Ebenso ist es mögner als 20 ns, d. h. in der Größenordnung von 10 ns, lieh, die Leseleitung 33 schmaler als die übrigen gewählt. Bei einem ausgeführten Beispiel betrug die 55 Streifenleitungen der Speicheranordnung herzustelmittlere Impulsbreite der Wortimpulse 12 ns, wovon len, so daß etwa nur der mittlere der drei dargestelletwa je 5 ns auf die Anstiegs- und Abfallzeit entfal- ten parallelen Leiter 33 als Leseleitung ausreicht, len. Die erforderlichen Amplituden der Treibimpulse Der Leiter 35 kann beispielsweise in einer wortsind kleiner als 1 A und bewegen sich je nach der organisierten Speicheranordnung eine Bitleitung sein. Größe der Speicheranordnung bzw. der Wortlänge 60 Es ist jedoch auch möglich, die Bitleitung in die zwischen 400 und 700 mA. Treibimpulse dieser gleiche Lage von Leitungen wie die Leseleitungen Stärke ergeben bei der oben als Beispiel angegebenen zu verlegen, so daß z. B. bei dem Leiter 33 die beiGröße der Speicherzellen Lesesignale mit einer den äußeren der drei parallelen Leiter zur Bitleitung Amplitude von 0,2 bis 10 mV und einer Dauer von und der innere Leiter zur Leseleitung gehören. Dann etwa 5 ns. Ein Teil der Energie der Treibimpulse 6g kann der Leiter 35 wegfallen. Es ist sogar möglich, wird zur Erzeugung der Wirbelströme verbraucht. eine gemeinsame Leitung als Leseleitung und als Bit-Dieser Anteil ist abschätzbar an der Tatsache, daß leitung zu verwenden. Nur ist in diesem Fall der zum Einschreiben binärer Informationen Schreib- Aufwand an Zusatzeinrichtungen zur Speicheranord-

nung für die schaltungsmäßige Trennung der Signale größer.

Die F i g. 2 und 3 sind insofern nicht maßstäblich gezeichnet, als sich in ausgeführten Anordnungen zwischen den einzelnen dargestellten Elementen nur sehr dünne isolierende Zwischenschichten befinden, so daß die einzelnen Lagen von Leitungen wesentlich dichter aufeinandergepackt sind. So ist als Ort für die gewünschte Entstehung von Wirbelströmen durchaus noch die Lage des Leiters 35 in F i g. 3 xo geeignet. Falls beispielsweise eine breite Streifenleitung wie die Bitleitung 35 aus Gründen der Organisation der Speicheranordnung fehlt, können in dieser Lage von Leitungen oder in einer weiteren Lage über den Bitleitungen noch zusätzliche metallische Leiter vorhanden sein, deren Zweck nur die Bereitstellung von durch das Rotationsschalten der Magnetschicht der Speicherzellen entstehenden Wirbelströmen ist. Derartige zusätzliche metallische Leiter können in Form von Streifenleitungen, die keine weiteren Signale führen, oder in Form von Metallplatten vorhanden sein.

Die Speicheranordnung nach der Erfindung hat den Vorteil, daß der Arbeitszyklus für Nur-Leseoperationen verkürzt wird. Das die Information nicht zerstörende Auslesen erfolgt mit Hilfe der Energiespeicherung in den Wirbelströmen, so daß die Notwendigkeit eines erneuten Einschreibens des gerade abgelesenen Speicherinhaltes entfällt. Jedoch kann unbeschadet dessen die Speicheranordnung auch so betrieben werden, daß nach dem Auslesen alle Speicherzellen in eine vorbestimmte Ruhelage, z. B. in die Null-Lage gebracht werden. Für eine günstige Ausnutzung der induzierten Wirbelströme müssen die oben ausführlich beschriebenen Maßnahmen entsprechend angewendet werden. Eine dichte Packung der Lagen von metallischen Leitern begünstigt die Ausbildung kräftiger Wirbelströme.

Claims (1)

1. Patentansprüche:

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   1. Verfahren zum zerstörungsfreien Lesen von Informationen aus magnetischen Dünnschicht-Speicherzellen, in deren unmittelbaren Nähe metallische Leiter als Betriebsleiter für die Speicherfunktionen Einschreiben und Entnehmen und als deren Rückleiter angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der in einem der Betriebsleiter auftretende, eine Wertentnahme auslösende Treibimpuls so bemessen wird, daß durch die Magnetfeldkomponenten der in den benachbarten Metallteilen durch das Rotationsschalten der Speicherzelle induzierten Wirbelströme eine Rückmagnetisierung der Zelle in die vor Beginn des Entnahme-Treibimpulses eingenommene Magnetisierungslage erfolgt.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer des eine Wertentnahme auslösenden Treibimpulses (I_w) einen Zeitraum (DAU) nicht überschreitet, der dadurch definiert ist, daß die in den benachbarten Metallteilen durch das Rotationsschalten der Speicherzelle selbstinduzierten Wirbelströme (I_e) noch in der Lage sind (/<■</„), die Feldkomponenten zu liefern, welche eine rotationsschaltende Speicherzelle in die dem gespeicherten Binärwert entsprechende ursprüngliche Ruhelage (O oder L) zurückführen.

   3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Wertentnahme auslösenden Treibimpulse von solcher Stärke sind, daß das durch sie erzeugte Magnetfeld die Anisotropiefeldstärke der Speicherzellen wesentlich überschreitet.

   4. Speicheranordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit den beiden Seiten einer magnetischen Speicherzelle benachbarten metallischen Leitern, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Leiter in ihrem Querschnitt und Umfang sowie in ihrer Lage zur magnetischen Speicherzelle so ausgebildet sind, daß die beim Rotationsschalten der Speicherzelle induzierten Wirbelströme Magnetfelder zu liefern imstande sind, deren Stärke nach Beendigung des Treibimpulses zum Rückschalten der Speicherzelle in ihrer Ausgangslage ausreicht.

   5. Speicheranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf der der Speicherzelle abgewandten Seite der Betriebsleiter zusätzliches, elektrisch gut leitfähiges Material angeordnet ist.

   6. Speicheranordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsleiter, in denen durch das Rotationsschalten der Speicherzelle ein Lesesignal induziert wird, aus je einem oder mehreren schmalen Streifenleitern bestehen, die durch schlitzartige Zwischenräume voneinander getrennt sind.

   7. Speicheranordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Impulsquelle zur Erzeugung sehr kurzer und kräftiger Treibimpulse mit dem die Wertentnahme auslösenden Betriebsleiter verbunden ist.

   8. Speicheranordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie wort-organisiert ausgebildet ist und der die Wertentnahme auslösende Betriebsleiter den zur Aufnahme eines Wortes dienenden Speicherzellen gemeinsam zugeordnet ist.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Französische Patentschrift Nr. 1281193;
   »Journal of Applied Physics«, Suppl., April 1959,

   S. 54Sund55S;

   »Journal British IRE«, Oktober 1960, S. 765 bis

   784.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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