DE4008022A1 - Nichtfluechtiges speichersystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Speicherung und zur späteren Verwertung bzw. Auswertung von Informationen und Daten.

Solche Speicher sind an sich bekannt und werden in vielfacher Art eingesetzt. Es gibt flüchtige Speicher und nichtflüchtige Speicher. Flüchtige Speicher verlieren ihren gesamten Informationsinhalt sofort nach dem Abschalten des Betriebsstromes. Bei der Erfindung handelt es sich um einen nichtflüchtigen, permanentmagnetischen Massenspeicher, der auch nach dem Abschalten des Betriebsstromes den Informationsinhalt beibehält. Bei allen bisherigen derar­ tigen Speichern, die magnetische Grundmaterialien verwenden und benutzen, um den Spei­ chereffekt des Magnetismus auswerten zu können, muß sich das Medium mittels motorisch angetriebenem Laufwerk bewegen. Wir unterscheiden grundsätzlich zwischen den Laufwer­ ken, die mit Hilfe eines elektromagnetischen Wandlers, z. B. also eines Magnetkopfes, die notwendige Umwandlung der permanent magnetischen Information in elektrische Signale durchführen, und den Speicheranlagen, die durch Abtastung mittels Laserlicht über die Drehung des polarisierten Lichtes in Abhängigkeit vom magnetischen Zustand der Spei­ cherzelle die gespeicherte Information von dem Speichermedium herauslesen.

Die Anwendung der mechanisch nichtbewegten Speichermedien, wie die sogenannte Magnet­ bubbeltechnik, haben in der Vergangenheit keine große kommerzielle Anwendung gefunden. Die Beherrschung des Weiterreichens magnetischer Zustände in einem Kristallgitter erwies sich als technisch sehr schwierig und daher als sehr kostenintensiv. Aus Gründen der tech­ nisch schwierigen Realisierbarkeit und der dadurch sehr hohen Kosten und aufgrund der rela­ tiv langsamen Zugriffszeit zu den einzelnen Informationen hat der Markt diese Technik nicht angenommen.

Die vorgestellte Erfindung sieht ihre große Bedeutung darin, daß sie entgegen der bisherigen Technik durch neue Lösungswege die Nachteile der einzelnen unterschiedlichen Speicher­ techniken vermeidet.

Das Anforderungsprofil an die Speichertechnik, wie kurze Zugriffszeit, nichtflüchtige Informa­ tion, große Speicherdichte, einfache Anschlußtechnik und letztlich kostengünstige Herstel­ lung, wurde bei der Erfindung in neuartiger Weise gelöst.

Die nachfolgend beschriebenen Abbildungen sollen die Erfindung näher erläutern und die physikalischen Zusammenhänge, die der Erfindung zugrunde liegen, klar herausstellen. Die Abbildungen zeigen im einzelnen:

Fig. 1 Die schematische Darstellung der Funktion

Der erfindungsgemäße Speicher besteht im wesentlichen aus drei funktionell zusammenfaß­ baren Baugruppen:

• a) dem Elektronenstrahlsystem
• b) dem Speichermedium
• c) der Steuerelektronik

Von der Katode (2) werden Elektronen emittiert, die durch die Beschleunigungselektrode (4) auf eine definierte Geschwindigkeit gebracht werden. Dazwischen ist eine Lochblende (3) zur Mengendosierung der Elektronen angeordnet. Mit der Fokussierelektrode (5) wird der Elektro­ nenstrahl so beeinflußt, daß er eine systemspezifische geometrische Form erhält, die zu einer punktförmigen Ausbildung auf dem Speichermedium (10, 11, 12, 13) führt. Danach durchläuft der Elektronenstrahl (22) das Ablenksystem, das aus den Plattenpaaren für die x-Position (7) und die y-Position (8) besteht. Nun folgt das Speichermedium mit der gelochten Anode (10), dem darunterliegenden Dielektrikum (11), der magnetisierbaren Schicht (12) und der Anode (13) als elektrisch gut leitende Basis. Für das Setzen von Informationen ist ein magnetisches Hilfsfeld erforderlich, das mittels Elektromagnet (14) fallweise eingeschaltet wird. Zur Steue­ rung der Speichereinheit sind die Z-Elektronik für die Strahlintensität, die X-Elektronik für die Strahlauslenkung in X-Richtung, die Y-Elektronik für die Strahlauslenkung in Y-Richtung und die M-Elektronik für die Intensität des magnetischen Hilfsfeldes vorgesehen. Der Prozessor P sorgt für die sinnvolle Koordination der Steuersignale.

Fig. 2 Speichereinheit im Querschnitt

Diese Figur zeigt ein Beispiel, wie der erfindungsgemäße Speicher technisch realisiert werden kann. Das Außengehäuse (1) ist aus einem magnetisch gut schirmenden Werkstoff angefertigt. Im Inneren befindet sich ganz oben die indirekt elektrisch beheizte Katode (2), die von der Lochblende (3) umschlossen ist. Es folgt die Beschleunigungselektrode (4), die in Analogie zur Technik der Katodenstrahlröhren auf elektrischem Nullpotential liegt. Die Fokussierelektrode (5) bündelt den Elektronenstrahl zur spezifischen Auslenkung durch das X-Elektrodenpaar (6) und das Y-Elektrodenpaar (7). Der elektrostatische Schirm (8) vermeidet eine nachteilige Beeinflussung der Elektronenstrahlführung durch die Elektrodenzuleitungen (9). Das eigentli­ che Speichermedium besteht aus der gelochten Anode (10), dem ebenfalls gelochten Dielek­ trikum (11), der magnetisierbaren Schicht (12) und der Anode (13). Der Elektromagnet (14) wird zum Setzen von Informationen eingeschaltet. Über die Kontaktstifte (15) werden die einzelnen Elektroden und das Speichermedium elektrisch außerhalb des Gehäuses zugäng­ lich. Die Kontaktstifte sind isoliert durch die Bodenplatte geführt. Durch den Pumpstutzen (16) wird das Gehäuse nach der Montage luftleer gepumpt und zugeschmolzen. Der Widerstand (17) versorgt die Anode (10) mit der richtigen elektrischen Spannung. Wenn der Elektronen­ strahl beim Lesen eine magnetische Koordinate vorfindet, wird er zur Anode (10) geführt, so daß jetzt über den Widerstand (17) ein Strom fließt. Dies verursacht einen Spannungsabfall, der über den Kontakt (18) zur Auswertung verfügbar ist. Die Anodenspannung (19) versorgt beide Anoden. Der Widerstand (20) ist mit der Anode (13) verbunden. An ihm entsteht ein Spannungsabfall, wenn die vom Elektronenstrahl bedeckte Koordinate unmagnetisch ist. Über den Kontakt (21) ist der Spannungssprung zur Auswertung verfügbar.

Fig. 3 Einzelheiten des Speichermediums

Es sind vier Speicherzellen im Schnitt dargestellt. Die beiden äußeren befinden sich im magne­ tischen, die beiden inneren im nichtmagnetischen Zustand. Der magnetische ist durch Feldlinien und die Polarität N und S gekennzeichnet. Der Leseelektronenstrahl ist durch einen mit einem Minuszeichen versehenen Pfeil dargestellt. Bei magnetisierter Speicherzelle wird der Elektronenstrahl, der eigentlich auf den Koordinatenschnittpunkt ausgerichtet ist, zur Anode (10) abgewiesen und verursacht am Kontakt (18) das Signal U18. Im nichtmagnetischen Fall, wenn der Elektronenstrahl ungehindert zur Anode (13) findet, entsteht am Kontakt (21) das Signal U21.

Fig. 4 Speichereinheit mit peripherer Elektronik

Diese Figur zeigt eine der zahllosen Möglichkeiten der Anwendung in Rechensystemen. Das zu speichernde Signal erreicht über Input I den Prozessor, der es aufbereitet zur Weitergabe an die M-, X-, Y- und Z-Elektronik. Die Adressierung der Koordinaten erfolgt in diesem Beispiel an die Y-Elektronik, die die Zeilenkoordinate mit dem Elektronenstrahl anfährt, um sie bei Ankunft an die X-Elektronik zu übergeben, um die Spaltenabszisse als Zielpunkt zu erreichen. Eine Synchronisation zwischen der Strahlauslenkung und den Speicherzellenkoordinaten wird dadurch erreicht, daß der Elektronenstrahl aufgrund der Magnetisierungszustände seine gegenwärtitge Position selbst auszählt und daraus eine Taktfolge bildet, die mit den Vorgaben der Speicherplatzorganisation verglichen werden. Taktformung T und Vergleich V sind beim Schreiben und Lesen erforderlich. SP stellt die erfindungsgemäße Speichereinheit dar. Beim Lesen werden die Signale der beiden Anoden der Speichereinheit SP über die jeweiligen Vorverstärker VV einmal zur Taktformung mit anschließendem Vergleich und schließlich zum Datenoutput O verwendet. Der Ausgangspunkt für das Auszählen der Koordinaten kann im einfachsten Falle bei X=1, Y=1 sein, andererseits jedoch auch relativ von jedem Punkt aus, dessen Koordinaten bereits festliegen.

Fig. 5 Bildröhre mit erfindungsgemäßer Speichervorrichtung

Rechen- und Datenverarbeitungsanlagen sind im allgemeinen mit Bildschirmen ausgerüstet. Vorwiegend kommen dabei Elektronenstrahlröhren zum Einsatz, deren Aufbau mit dem erfin­ dungsgemäßen Gegenstand eine Reihe von Gemeinsamkeiten aufweist, so daß eine Kombina­ tion von Bild- und Speicherröhre vorgeschlagen wird. Die Bildröhre (23) weist oberhalb und unterhalb der Abbildungsfläche (24) das erfindungsgemäße Speichermedium (25) auf, das aus der Anode (10), dem Dielektrikum (11), der magnetisierbaren Schicht (12), der Anode (13) und dem Elektromagneten (14), dargestellt in Fig. 2, besteht. Die Kontaktierung des Speicherme­ diums erfolgt beispielsweise über steckbare Anschlüsse (26). Die Steuerung des Elektronen­ strahles (27) für den Speichervorgang erfolgt über das gleiche Elektronenstrahlsystem (28), das für die optische Datenausgabe über die Abbildungsfläche vorgesehen ist.

Der erfindungsgemäße permanentmagnetische Massenspeicher hat eine Speicherkapazität von mehreren Gigabits bei einer Substratfläche von wenigen Quadratzentimetern. Der Massenspeicher besteht im wesentlichen aus dem eigentlichen Speichermedium, das aus mehreren speziellen Schichten aufgebaut ist, und dem Elektrodenstrahlsystem, das aus mehreren Elektroden besteht. Der aus der Katode (2) austretende Elektronenstrom wird genau fokussiert und positioniert den Anoden (10) und (13) zugeführt. Die komplette Speichereinheit wird insgesamt evakuiert und magnetisch abgeschirmt in einem Gehäuse (1) untergebracht. Das eigentliche Speichermedium wird als eine magnetisierbare Schicht (12) auf ein elektrisch leitfähiges Trägermaterial als Anode (13) aufgebracht.

Die magnetischen Daten der magnetischen Schicht (12) sind mit den zwei physikalischen Größen, der Wärme und dem elektrischen Feld, steuerbar. Wenn beide Steuergrößen einge­ setzt werden, entsteht ein kleiner, geometrisch begrenzter Permanentmagnet in der magneti­ sierbaren Schicht. Mit einer über den Curiepunkt hinausgehenden Temperatur kann dieser Permanentmagnet wieder zerstört bzw. gelöscht werden. Auf die magnetisch sowie elektrisch leitende Schicht wird eine, mit einem Lochraster versehene, einseitig isolierte, elektrisch hochleitende Schicht (10) als Anode aufgebracht. Die Löcher in dieser Schicht sind beispiels­ weise zeilen- und spaltenartig punktzugeordnet in einem zweidimensionalen Koordinatensystem hergestellt und dadurch einzeln ansteuerbar. Die Erfindung nutzt die physikalische Gesetzmäßigkeit aus, daß bei Vorhandensein einer magnetischen Kraft der Elektronenstrahl abgelenkt wird (Lorentz). Die aus der Katode der Speichereinheit emittierenden Elektronen werden durch speziell angeordnete Elektroden (Elektronenlinsen) so fokussiert, daß der Brennpunkt auf der magnetischen Schicht zu liegen kommt und somit eine sehr geringe flächenmäßige Ausdehnung besitzt. Durch eine entsprechende Ansteuerung der X-Y- Ablenkelektroden wird der Elektronenstrahl in die gewünschten X-Y-Koordinatenwerte abge­ lenkt. Der Elektronenstrom fließt je nach Magnetisierungszustand von der Katode zur Anode (10) und dann über den Widerstand (17) oder über die Anode (13) und den Widerstand (20). Die an den Widerständen (17) und (20) abfallenden Spannungssprünge entsprechen dem magnetischen Zustand des Speichermediums. Die aus der Katode emittierenden Elektronen werden durch die programmierte Ablenkung so gesteuert, daß der Elektronenstrahlstrom normalerweise punktuell durch das jeweilige Loch der Anode (10) auf die magnetisch und elektrisch leitende untere Schicht, also letztlich auf die Anode (13), auftrifft. Wenn aber die magnetisierbare Schicht punktuell magnetisiert ist, werden - bedingt durch die Lorentzkraft - die Elektronen abgelenkt und treffen dann auf die Anode (10) und fließen über den Widerstand (17) zum Kontakt (19). Das punktuell aus dem Permanentmagneten stammende Magnetfeld der Magnetschicht hat also eine auswertbare Spannungsveränderung an den Widerständen (17) und (20) hervorgerufen.

Das erfundene System erlaubt eine serielle Ansteuerung bzw. auch eine parallele Ansteuerung der X-Y-Koordinaten.

Bei der seriellen Ansteuerung wird als erstes die Ablenkung des Elektronenstrahles in Y-Rich­ tung gestartet. Bedingt durch die mechanisch vorhandenen Löcher der Anode (10), erhält man einzelne Zählimpulse, die in einer elektrischen Vergleichsschaltung gegenüber den Vorgabe­ zahlen ausgewertet werden. Bei Erreichen bzw. Gleichstand der vorgegebenen Anzahl der Zählimpulse, einem Soll-/Ist-Vergleich, wird die gerade erreichte Ablenkspannung der Y-Ablenkrichtung beibehalten und eingefroren. Mit dem Stoppsignal der Ablenkung für den Y-Generator wird gleichzeitig die Ablenkung für die X-Richtung gestartet. Auch hier werden die entstehenden Zählimpulse ausgewertet und innerhalb einer Vergleichsschaltung verglichen. In dem Moment, wo Soll- und Ist-Zählinformation übereinstimmen, ist eine genaue Ortsbestim­ mung erfolgt. Die jeweilige Zugriffszeit setzt sich also lediglich aus zwei sehr kurzen Einzelzei­ ten, nämlich der Zeit für die Y-Ablenkung und der Zeit für die X-Ablenkung, zusammen. Jeder Speicherpunkt ist in wenigen Nanosekunden (ns) erreichbar. Bei einer Arbeitsfrequenz(Ablenkfrequenz) von z. B.10 MHz ist die Ansprechzeit für jedes einzeln anzu­ wählende bit maximal 100 Nanosekunden (ns).

Bei der parallelen Ansteuerung werden aus den beiden Koordinateninformationen mit geeig­ neten elektronischen Schalteinheiten gleichzeitig, also parallel, die Ablenkspannungen für die X-Y-Ablenkplatten aus den vorprogrammierten Zählimpulsen direkt erzeugt. Die Ortsbestim­ mung wird dann mit Hilfe der X-Y-Ablenkung des Elektronenstromes direkt durchgeführt.

Die Aufteilung der Speicherfläche ist vorangehend in rechtwinkligen Koordinaten erfolgt. Es sind aber auch andere Anordnungen, z. B. polarer Art, denkbar.

Claims (12)

1. Verfahren und Vorrichtung zum nichtflüchtigen Speichern von Informationen auf einem magnetisierbaren Substrat unter Verwendung eines gesteuerten Elektronenstrahles zur definierten Auffindung der Speicherstelle und als Ladungsträger dadurch gekennzeichnet, daß

• a) zum Schreiben der Information der Elektronenstrahl auf den vorprogrammierten Punkt der Oberfläche des Speichermediums (10, 11, 12, 13) gezielt gesetzt wird und daß durch Erhöhung des Strahlstromes und die sich hieraus einstellende Erwärmung des magnetischen Materials durch Abgabe der kinetischen Energie die Elektronen das Substrat leichter magnetisierbar machen und in Verbindung mit einem gesteuerten magnetischen Hilfsfeld einen punktförmigen, geometrisch begrenzten Magneten erzeugt und daß weiterhin bei Erwärmung des Speichermediums über die Curietem­ peratur der magnetisierbaren Schicht (12) hinaus und fehlendem magnetischem Hilfs­ feld ein Nichtmagnet nach Abschalten des Elektronenstrahles und der folgenden Abkühlung entsteht,
• b) beim Lesevorgang im unmagnetischen Zustand bei reduziertem Strahlstrom der Elektronenstrahl (22) auf die Speicherstelle auftrifft und somit über die Anode (13) abfließt und am Widerstand (20) einen Spannungsabfall verursacht, während im magnetischen Zustand der Speicherzelle der Elektronenstrahl vor dem Eintreffen auf das eigentliche Speichermedium abgelenkt wird und damit über die Anode (10) und über den Widerstand (17) einen Spannungssprung verursacht um in beiden Fällen über den Spannungsverlauf an den Widerständen an den Kontakten (18) und (21) eine auswertbare Information zu erhalten.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium mehr­ schichtig aufgebaut ist, und

• a) daß die erste Schicht als Anode (13) aus einem geschlossenen, durchgängigen, elektrisch hochleitenden aber unmagnetischem Material besteht,
• b) daß die zweite darüber befindliche Schicht als eigentliches Speichermedium (12) aus einem magnetischen Material besteht, das einen großen Temperaturgang auf­ weist, also in Abhängigkeit von der Temperatur die magnetspezifischen Materialeigen­ schaften leicht ändert, und
• c) daß dessen dritte und vierte Schicht aus einer Verbundschicht, nämlich einer elek­ trisch und magnetisch nichtleitenden Isolierschicht (11) und einer elektrisch hochlei­ tenden, aber magnetisch nichtleitenden, flächendeckend mit Löchern versehenen Schicht (10) besteht, wobei die Lochstruktur beispielsweise nach einem x-y Raster - nach Zeilen und Spalten punktweise aufgelöst - hergestellt ist.

3. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die x-y-Rasterung ätztechnisch vor dem Zusammenbau der Schichten zum eigentlichen Speichermedium hergestellt und als Folie assembliert werden kann.

4. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß speziell bei kleineren Lochdurchmessern und Lochabständen die Lochrasterung erst bei der komplett assem­ blierten Speichereinheit durch Elektronenbeschuß auf die leitfähige Anodenschicht (10) durch punktuelle Verdampfung hergestellt wird.

5. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch die erzeugte X-Y-(Zeilen/Spalten) Punktrasterung eine Synchronisation und eine Taktung des Elektro­ nenstromes automatisch erfolgt und daß über die automatisch an den Widerständen (17 und 20) abfallenden Spannungssprünge sich ergebenden Zählimpulse eine Ortsbestim­ mung der gespeicherten Information möglich ist.

6. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die X-Y Koordinaten der Speicherzelle keine einzelnen Stromwege vorgesehen werden müssen, sondern daß die Informationsdokumentation "Schreiben und Lesen" lediglich auf einer über punk­ tuell einzeln durch den Elektronenstrahl hervorgerufenen magnetischen Materialzu­ standsänderung des Speichermediums beruht, ohne daß punktuell verbundene Leitungs­ anschlüsse vorhanden sind, und daß durch den gesteuerten Elektronenstrahlstrom die an den Widerständen seriell anfallenden Spannungswerte in eine seriell auswertbare Infor­ mation umgewandelt werden.

7. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß diese Vorrichtung aus einer permanent gespeicherten magnetischen Information, ohne mechanische Bewegung des Speichermediums oder des magnet-elektrischen Wandlers, eine auswertbare elek­ trische Information liefert.

8. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Elektronen­ strahlablenkung erforderlichen Elektroden (2, 3, 4, 5, 6, 7) mit dem Speichermedium (10, 11, 12, 13) in einer Hochvakuumkammer in einer Sandwichbauweise zusammenge­ baut sind.

9. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Ablenkung des Elektronenstrahles durch serielle oder parallele Ansteuerung der X-Y- Ablenkplattenpaare (6, 7) des Speichersystemes erfolgen kann, wobei bei der seriellen Ansteuerung der Ablenkplatten beispielsweise als erstes der Generator der Y-Rich­ tungsablenkung gestartet wird, um dann über einen Vergleich von Soll-/ist-Zählimpulsen gestoppt zu werden, um dann bei gleichbleibender Spannung an den Y-Ablenkplatten die gleiche Prozedur an den X-Ablenkplatten zu wiederholen.

10. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichereinheit auch als steckbare mobile Einheit (Modul) eingesetzt werden kann, d. h. die Einheit mit sämtlichen permanent gespeicherten Informationen von Einsatzort zu Einsatzort ausge­ tauscht werden kann, ohne daß der Speicherinhalt verlorengeht.

11. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Speicher­ einheiten in Serie zusammengeschaltet werden können und sich die Gesamtspeicherka­ pazität dadurch erhöht.

12. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das erfindungsgemäße Speichermedium im Zugriffsbereich des Elektronenstrahls einer Elektronenstrahlröhre (Bildröhre) angeordnet ist, so daß durch diese Kombination die Elektronenstrahlröhre in Mehrfachnutzung zur Datenausgabe und Speicherung von Daten verwendbar ist.