Материал: Функциональная электроника. учебное пособие. Свистова Т.В

5.2. Приборы и устройства функциональной

магнетоэлектроники

5.2.1. Процессоры сигналов на цмд

Уникальные свойства динамических неоднородностей магнитоэлектронной природы позволяют создать весьма эффективные устройства обработки информации. ЦМД как носитель информационного сигнала обладает следующими уникальными свойствами:

- домен в процессах сохраняет форму круглого цилиндра;

- свободно перемешается в двух измерениях;

- управляемо меняет форму, растягиваясь в полосовой домен;

- позволяет перейти к другому физическому носителю информационного сигнала, в том числе многозначному;

- управляемо зарождается или коллапсирует;

- реплицируется, делясь на две части и восстанавливая первоначальную форму и размер;

- визуально и электрически регистрируется;

- дипольно взаимодействует с другими соответствующими ЦМД.

Учитывая эти свойства ЦМД, можно выделить следующие отличительные от интегральных схем свойства приборов функциональной электроники:

1) управление процессами обработки информации и ее передача физическими носителями по информационным каналам имеет тотальный и синхронный характер;

2) компланарность носителей информационного сигнала имеет две степени свободы его передачи и поэтому время обработки информации уменьшается;

3) динамические неоднородности в виде ЦМД при взаимодействии друг с другом неограниченно долго сохраняют свои конечные размеры и количество в системе до, во время и после взаимодействия.

Эти свойства позволяют создать процессоры для обработки дискретной информации. Анализ показывает, что можно создать логические элементы, реализующие следующие функции: повторение, ИЛИ, И, НЕ, исключающее ИЛИ. Эти элементы и их сочетания позволяют обрабатывать функционально полные системы логических элементов.

На рис. 5.9 показаны реализации логических элементов с ортогональным и антипараллельным расположением входов.

Рис. 5.9. Логические элементы на основе ЦМД:

а - с ортогональным; б - с параллельным

расположением входов Х₁ и Х₂

5.2.2. Процессоры сигналов на мсв

Переспективными процессами обработки сигналов в гигагерцевом диапазоне являются линии задержки на магнитостатических волнах. Эти устройства напоминают процессоры на ПАВ.

Конструктивно линия задержки на МСВ реализуется на многослойной структуре, состоящей из прочной подложки (Al₂O₃), тонкопленочной континуальной среды из железо-иттриевого граната (ЖИГ) и галлий-гадолннневого граната (ГГГ) (рис. 5.10).

Такой «сэндвич» является эффективной континуальной средой. Следует отметить, что тонкопленочная технология производства сред для устройств на МСВ совместима с технологией интегральных схем. В зависимости от свойств среды магнитостатические волны распространяются с дисперсией или бездисперсионно, время задержки на всех частотах одинаково. На рис. 5.10, а представлена бездисперсионная линия задержки. На входной детектирующий микрополосковый преобразователь поступает сигнал, который возбуждает МСВ, несущие с задержкой информацию на выходной генерирующий микрополосковый преобразователь. МСВ с частотой линейно не связаны, поэтому в линиях задержки наблюдается зависимость времени задержки от частоты (рис. 5.10, б). Для компенсации такой зависимости прикладывают магнитное поле, перпендикулярно направленное к пленке железо-итгриевого граната (ЖИГ). Используя также две заземленные обкладки, можно изменить параметры распространения МСВ и обеспечить постоянное время задержки в заданном частотном интервале.

В зависимости от направления приложенного поля можно возбудить различные типы волн. При направлении поля по оси z, приложенного перпендикулярно слою ЖИГ, возбуждается прямая объемная волна. Задержка сигнала возрастает с частотой.

Рис. 5.10. Линия задержки на МСБ (а) и ее характеристика (б)

При приложении поля вдоль оси х генерируется обратная объемная волна с убывающей зависимостью задержки от частоты. И наконец, при направлении магнитного поля вдоль оси у генерируются поверхностные волны, аналогичные ПАВ.

Линия задержки, использующая прямую волну, имеет возрастающую линейно-частотную модуляцию (ЛЧМ), а с обратной волной - убывающую. Если спектр сигнала, поступающего в линию задержки, соответствует полосе пропускания этой линии задержки, но имеет противоположный закон изменения задержки с частотой, например, убывающей, то выходной сигнал будет иметь форму узкого пика. Коэффициент сжатия может составлять несколько порядков.

Линия задержки может быть использована в качестве трансверсального фильтра. Известно, что требуемую характеристику фильтра получают путем суммирования и взвешивания выходных сигналов с ряда слабо связанных отводов. С их помощью снимают сигналы, распространяющиеся в линии задержки. Для приборов на магнитостатических поверхностных волнах существует возможность легкого ветвления волны в любых точках тракта распространения.

Заметим, что в зависимости от типа используемых входных и выходных преобразователей, соответственно генераторов и детекторов МСВ, можно получить различные амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) преобразования. Преобразователь меандрового типа генерирует АЧХ, описываемую функцией (sinx)/x. Преобразователь с параллельными полосками работает в длинноволновой части спектра и генерирует вдвое больше гармоник, чем меандровая структура. Эти преобразователи легли в основу конструкции трансверсальных фильтров на МСВ, полосковых фильтров.

Устройство преобразования спектра СВЧ-сигналов - серродин представлен на рис. 5.11.

Основой конструкции является линия задержки, в которую встроена катушка подмагничивания для модуляции магнитного поля. В качестве континуальной среды использовалась пленка ЖИГ толщиной 10 мкм на подложке из ГГГ. Серродин работает в диапазоне частот 2 - 5 ГГц. Для динамической перестройки серродина необходимо изменить магнитное поле на несколько эрстед. Это можно реализовать с помощью малоиндукционных катушек, входящих в устройство управления серроднном. Динамический диапазон по входному сигналу составляет 30 - 50 дБ, величина управляемого сдвига частот от сотых долей до десятка килогерц при искажении спектра частот порядка 5 %. Расширение функциональных возможностей приборов на магнитостатических волнах будет обеспечено благодаря использованию эффектов взаимодействия этого типа динамических неоднородностей с акустическими, оптическими и другими типами волн.

Рис. 5.11. Конструкция серродина на МСВ: 1 - пленка ЖИГ;

2 - подложка из ГГГ; 3 - поликоровая пластина;

4 - микрополосковые преобразователи;

5 - модулирующие катушки;

6 - самарий-кобальтовые постоянные магниты

5.2.3. Запоминающие устройства на цмд

Наиболее широкое применение ЦМД нашли в устройствах памяти, позволяющих получить высокую плотность записи информации, энергонезависимость, малую потребляемую мощность, высокое быстродействие, низкую стоимость. Отсутствие движущихся носителей позволяет ЗУ на ЦМД использовать в бортовых системах. Информационные структуры ЗУ на ЦМД могут быть организованы различными способами. Для ЗУ большой информационной емкости характерна организация последовательно-параллельного типа. Рассмотрим структуру с раздельными регистрами ввода-вывода информации и п-накопительными регистрами (рис. 5.12).

Накопительные регистры (HP) формируются на основе ДПС и информация в них поступает из генератора Г через регистр ввода (РВ) и однонаправленного переключателя (П). Накопительные регистры связаны с регистром вывода Р_выв с помощью репликаторов-переключателей (Р/П), которые при считывании работают в режимах реплицирования. Копии выбранного блока информации из HP попадают в P_выв, а далее в детектор Д. В свободные поля через однонаправленные переключатели записываются новые информационные блоки (рис. 5.12, а). На рис. 5.12, б приведены схемы операций обработки информации. Позиция 1 иллюстрирует операцию стирания в Р/П, 2 - запись в однонаправленном переключателе и 3 - считывание в Р/П. В этом случае информация считывается без ее разрушения.

Рис. 5.12. Организация последовательно-параллельной

структуры хранения информации: а – с раздельным входом-выходом; б – схема обработки информации

Конструкция ЗУ на ЦМД приведена на рис. 5.13. Микросборка монтируется в корпусе 5 типа DIP. Отдельный чип изготовляется по планарной технологии групповым методом. В последнее время в качестве подложки чипа используется сапфировая подложка. На нее наносится феррит-гранатовая пленка, в которой могут образовываться домены. С помощью фотолитографии формируются токовые шины, пермаллоевые (Ni/Fе) доменопередвигающие структуры. ЧИП защищен пленкой нитрида кремния и закрепляется на диэлектрической немагнитной пластине. Два постоянных самарий-кобальтовых магнита 3 создают внешнее поле Н_вн,, формирующее в феррит-гранатовой пленке ЦМД оптимальных размеров. Между постоянными магнитами помещены две ортогональные катушки 2 и 4, управляемые смещенными на 90° по фазе токами. Это позволяет создать управляющее поле Н_упр, вращающееся по часовой стрелке в плоскости ЧИПа: собранная конструкция помещается в корпус со стандартными штырьками, который экранируется от внешнего магнитного поля.

Рис. 5.13. Конструкция микросборки ЗУ на МВД (а)

и структура слоев отдельного чипа (б)

ЗУ на ЦМД формируется в ЦМД-накопитель, состоящий из нескольких ЦМД-микросборок. Последние выполняют ряд сложных функций, среди которых роль носителей записанного информационного массива, обслуживающих электронных схем и узлов для обеспечения замен, считывания и регенерации информации.

Основным элементом ЦМД-накопителя являются ЦМД-микросборки, содержащие в корпусе одну (однокристальные) или несколько (многокристальные) ЦМД-микросхемы, катушки управления полем, постоянные магниты, плату управляющих схем и электромагнитный и электростатический экраны.

Повышение плотности записи информации в устройствах на ЦМД-доменах может быть достигнуто за счет уменьшения диаметра домена. На доменах диаметром около 1 мкм созданы ЗУ с плотностью записи порядка 10⁸ бит/см².

Разрабатываются устройства с субмикронными размерами доменов.

Уменьшения размеров носителя информации можно получить, перейдя на ЗУ на вертикальных блоховских линиях. Информационный массив в этом случае формируется из страйпов.

Канал ввода информации состоит из генератора ВБЛ, доменопередвигающей структуры с числом позиций равной числу страйпов и токовых шин. Эта система осуществляет преобразования типа ЦМД  ВБЛ.

Канал вывода информации имеет в своем составе систему репликаторов (по числу страйпов), осуществляющих преобразование типа ВБЛ  ЦМД. Сформированная кодовая последовательность ЦМД направляется в детектор, где происходит считывание информации. Информационная емкость ЗУ на ВВЛ достигает 1,5 ∙ 10⁹ бит.

Ведутся исследования по созданию «интеллектуальных» ЦМД-ВБЛ систем, в которых на одном кристалле размещены логический процессор и информационный массив. В такой системе можно совместить на одной плате процессы хранения и обработки информационных массивов в реальном масштабе времени со скоростью выше 10¹⁰ байт/с.

Устройства памяти на цилиндрических магнитных доменах весьма перспективны. Плотность записи таких устройств достигает 10⁵ бит/см² при скорости обработки информации 3∙10⁶ бит/с. Преимущество этих устройств заключается также в том, что магнитные домены могут составить систему идентичных элементов, реализующих функции логики, памяти и коммутации без нарушения однородности структуры материала носителя информации. Следовательно, кристалл на магнитных доменах является вычислительной средой, на поверхности которой посредством системы внешних аппликаций можно размещать схемы, реализующие различные комбинации логических и переключающих функций и функций памяти.

5.2.4. Запоминающие устройства на магнитных вихрях

Принципы организации ЗУ на магнитных вихрях аналогичны ЗУ на ЦМД. Генератор магнитных вихрей (флуксонов) формирует вихри, находящиеся в состоянии безразличного равновесия. Устройство управления представляет собой схему продвижения вихрей по каналу, осуществляемой силой Лоренца, создаваемую транспортным током (рис. 5.14, а). Однонаправленность движения вихрей обеспечивается асимметрией канала продвижения. Считывание магнитных вихрей может осуществляться с использованием квантовых интерферометров, а также одиночных джозефсоновских контактов.

Возможен вариант формирования сдвигового регистра на магнитных вихрях, либо вариант мажор-минорной организации. В этом случае реализуется накопитель на магнитных вихрях с параллельно-последовательной организацией записи и считывания информации (рис. 5.14, б). Плотность записи информации в этом случае ожидается около 2 ∙ 10⁸ бит/см². Анализ показывает, что скорость обработки информации в этом случае достигает величин 10⁹ бит/с. Буферная или внешняя память на флуксонных запоминающих устройствах технологически и оперативно совместима с микроэлектронными системами и криогенными процессорами.

Рис. 5.14. Магнитный вихрь и его канал продвижения (а),

мажор-минорная организация ЗУ на флуксонах (б)

5.2.5. Запоминающие устройства на магнитных пленках

Наибольший интерес представляет использование тонкопленочных металлических магнитных материалов в микроэлектронных запоминающих устройствах (ЗУ), где в качестве элемента памяти применяются тонкие магнитные пленки. Эти пленки позволяют создавать надежные быстродействующие ЗУ с малой мощностью управления.

На перемагничивание тонкопленочного элемента, толщина которого обычно не превышает толщины одного домена, требуется энергии в 10 - 20 раз и времени в 10 - 30 раз меньше, чем на перемагничивание ферритового сердечника.

Применение тонких магнитных пленок в качестве носителей информации основано на том, что они обладают двумя устойчивыми состояниями. Эти состояния пленки обеспечиваются благодаря одноосной магнитной анизотропии - предпочтительной ориентации вектора намагниченности, которая создается в процессе изготовления пленки или при ее последующей термической обработке с помощью внешнего магнитного поля. Тонкие пленки пермаллоя (сплав никеля и железа с небольшими добавками меди, хрома и молибдена) можно изготовить так, что их магнитные свойства в разных направлениях будут сильно различаться. В направлении оси трудного намагничивания (ОТН) петля гистерезиса практически полностью отсутствует, зато под прямым углом к ней в направлении оси легкого намагничивания (ОЛН) петля гистерезиса является почти полной (рис. 5.15, а). Это свойство используется в двух видах интегральной памяти: элементе памяти с плоскими магнитными пленками (рис. 5.15, б) и элементе памяти с электролитическим магнитным покрытием, нанесенным на проволоку (рис. 5.15, в).

При хранении информации пермаллойные элементы намагничены в одном или другом направлении оси легкого намагничивания, которое совпадает с продольным направлением в пленке и является окружностью для проволоки с электролитическим покрытием. При записи ток слов делает направление намагниченности почти совпадающим с направлением оси трудного намагничивания. Ток чисел отклоняет направление намагниченности в ту или другую сторону, так что после прохождения импульсов намагниченность устанавливается в направлении ОЛН.

Рис. 5.15. Использование тонких магнитных пленок