Core memory

Hoe werkt kerngeheugen? (core memory)

Als er stroom door een geleider loopt, dan wordt er een zwak magnetisch veld rond de geleider ontwikkeld. Indien er een ferrietkern rond de geleider geplaatst wordt, dan wordt het magnetisch veld plaatselijk versterkt door de hoge permeabiliteit van ferriet. Een stroom van een honderdtal mA is voldoende om de kern volledig te magnetiseren. Een stroom in de omgekeerde richting magnetiseert de kern in de andere richting: zo worden de data onder de vorm van een positieve of negatieve magnetisatie opgeslagen.

Magnetisch veld (H) en inductie (B)

Zacht ferromagnetisch materiaal kan gemakkelijk gemagnetiseerd worden, maar verliest ook gemakkelijk zijn magnetisatie. Het is materiaal dat in transfo's van schakelende voedingen gebruikt wordt. Zacht ferromagnetisch materiaal is meegaand: er ontstaan weinig verliezen bij de magnetisatie.

De ferrietkernen in kerngeheugens zijn van het "harde" soort, er is een sterkere stroom nodig om een "harde" kern te beinvloeden (dat is ook zo met voetbalsupporters, maar we dwalen nu al af). Hard ferromagnetisch materiaal wordt gebruikt voor magneten (luidsprekers, harde schijven, enz) omdat het zijn magnetisatie bewaard.

Er zijn verschillende fenomenen die van pas komen bij kerngeheugen:

• Permeabiliteit
  Ferriet concentreert het magnetisch veld, het is een goede geleider voor de krachtlijnen.

• Remanentie
  De ferrietkralen bewaren hun magnetisatie als het magnetisch veld weggenomen wordt.

• Coercitiviteit
  Er is een minimaal magnetisch veld nodig om een kern te doen omslaan.

• Hysterese
  Eénmaal het minimum magnetisch veld bereikt, klapt de magnetisatie van de kern volledig om.

In de tekst en op de afbeeldingen komt het begrip "halve stroom" en "volle stroom" voor (+0.5I en +1I), zowel in positieve als in negatieve zin. Hoe deze stromen ontstaan is even niet belangrijk. Het magnetisch veld dat zo opgewekt wordt is proportioneel met de stroom.

H: magnetisch veld B: inductie De inductie is het resultaat van het magnetisch veld, het is de magnetisatie van het materiaal.

Vertikaal hebben we de magnetisatie van de ferrietkern, het gevolg van het magnetisch veld. Dit wordt de inductie genoemd en B aangegeven.

In rust staat een ferrietkern in de oorsprong (0): er is geen magnetisch veld en de ferrietkern is niet gemagnetiseerd.

Indiien we een stroom door de selectiedraden van 2 × 0.5I, dan hebben we in de geselecteerde kern een stroom van +1I. De ferrietkern staat nu op punt 1: er is een maximaal magnetisch veld en de ferriet is gemagnetiseerd.

Indien we de stroom onderbreken, dan verdwijnt het magnetisch veld H, maar niet de magnetisatie van de kern. De ferrietkern bevindt zich nu op punt 3. De waarde van B geeft het remanent magnetisme aan: het eigen magnetisme van de ferrietkern.

Indien we een halve selectiestroom door de kern sturen, dan verandert de positie van de kern tussen 2 en 4 naargelang dat de stroom positief of negatief is. Deze wijzigingen zijn tijdelijk en als de stroom onderbroken wordt, dan komt de kern terug in positie 3. Dit eigenschap is belangrijk voor de geheugenfunktie van kerngeheugen.

Verhogen we nu de stroom in negatieve zin. Bij een bepaalde stroomwaarde komt de ferrietkraal in positie 5. De waarde van H geeft het coërcitief magnetisch veld aan. Dit is het veld dat nodig om het permanent magnetisme van de kern te onderdrukken. Als de stroom nu onderbroken wordt is het magnetisch veld van de kern onbepaald. De halve selectiestroom wordt daarom gekozen zodat 0.75I = H. De waarden van de stromen 0.5I en 1I moeten zo ver mogelijk gelegen zijn van de stroom die nodig om H te bereiken, want bij H is de toestand van de kern onbepaald als het magnetisch veld verwijderd wordt.

Als we nu een stroom van 2 × -0.5I door de seelctiedraden sturen, dan is het magnetisch veld in de geselecteerde kern maximaal negatief. De ferrietkern bevindt zich nu op positie 6. Voor de ferrietkern is dit ook een stabiele positie zoals 1, maar met een omgekeerde magnetisatie.

De werking van kerngeheugen is gebaseerd op het permanent zijn van de magnetisatie van de ferriet zolang de stroom een bepaalde waarde niet overschrijdt. Bij een positieve magnetisatie mag de stroom gaan van -0.5I tot +1I zonder wijziging van de permanente magnetisatie van de kern, en bij een negatieve magnetisatie mag de stroom gaan van -1I tot +0.5I.

Als de magnetisatie van de kern omdraait, dan verandert het magnetisch veld en wordt er een puls gestuurd in de meetdraad (sense) of in het secundair van de selectietransfo.

De kern komt in normaal gebruik nooit meer terug in positie 0, aangezien de kern altijd positief of negatief gemagnetiseerd is. Om de magnetisatie van de kern ongedaan te maken moet het veld afwisselend positief en negatief gemaakt worden met een sinusoïdaal veld. Na een paar duizenden sinussen met verminderde intensiteit verliest de ferriet zijn magnetisatie. Dit werkt goed voor "zachte" ferrietmaterialen, maar bij harde ferrieten blijft er meestal een restmagnetisatie over.

Vervolg:

• Hoe werkt kerngeheugen
• Halt and Catch Fire
• Rope core memory ROM kerngeheugen)