DE1230084B - Magnetfilm-Datenspeicher - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

GlIc

Deutsche Kl.: 21 al - 37/60

Nummer: 1230 084

Aktenzeichen: J 22859IX c/21 al

Anmeldetag: 17. Dezember 1962

Auslegetag: 8. Dezember 1966

Die Erfindung bezieht sich auf einen Magnetfilm-Datenspeicher nach dem Koinzidenzprinzip mit Speicherelementen, die eine magnetische Vorzugsrichtung aufweisen.

Dünne Magnetfilme haben in den letzten Jahren als Rechenmaschinenelemente eine erhöhte Bedeutung erfahren. Die Faktoren, die zur Untersuchung von dünnen Magnetfilmen geführt haben, bestehen in der Verringerung der Ummagnetisierungsenergie bei Verkleinerung der Schichtdicke, in der Herabsetzung von Wirbelstromverlusten sowie in der Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit. Die dünnen Magnetfilme sind Schichten von Magnetmaterial, die normalerweise mit einer Dicke von 1000 bis 2000 A auf einem geeigneten Trägermaterial aufgebracht sind. Die Tatsache, daß eine kostenreduzierende Massenproduktion bei der Herstellung von Schaltkreisen aus dünnen Magnetfilmen angewendet werden kann, ist ein bedeutender Vorteil gegenüber der Verwendung von herkömmlichen Magnetspeichern. Dünne Magnetfilme können z. B. durch Aufdampfen im Vakuum, durch Kathodenzerstäubung in einer Gasatmosphäre oder auf elektrolytischem Wege erzeugt werden. Sie weisen eine uniaxiale magnetische Anisotropie auf, d. h., ihre Magnetisierung richtet sich entlang einer bevorzugten Achse aus. Diese Magnetisierungsachse wird häufig als »leichte Achse« bezeichnet, während die rechtwinklig zur leichten Achse verlaufende Richtung »harte Achse« genannt wird. Die uniaxiale Anisotropie wird beispielsweise erzeugt durch Aufdampfen von Permalloy-Material, vorzugsweise in einer Zusammensetzung von 8O°/o Nickel und 20% Eisen, auf eine erhitzte Trägerplatte in Anwesenheit eines statischen Magnetfeldes parallel zur Trägerfläche. Während dieses Vorganges bildet das Magnetfeld die leichte Magnetisierungsachse. Als Ergebnis zeigen alle Magnetisierungsvektoren ohne Vorhandensein irgendeines äußeren Magnetfeldes in die gleiche Richtung. Ein solches Medium hat somit eine einzige Achse, entlang der sich die entgegengesetzt gerichteten Remanenzzustände des Magnetflusses orientieren. Ein Charakteristikum von aus Magnetmaterial bestehenden Dünnfilmelementen zur Speicherung binärer Informationen besteht darin, daß die entgegengesetzt gerichteten stabilen Flußzustände zur Bezeichnung der Binärwerte 0 und 1 benutzt werden.

Die Verwendung von ebenen Magnetfilm-Elementen mit uniaxialer Anisotropie für einen Datenspeicher sowie der Betrieb eines derartigen Speichers nach dem Koinzidenzstromprinzip ist bereits bekannt. Bisher bestanden derartige Magnetfilme aus einer Magnetfilm-Datenspeicher

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:
James Carr Suits,
MtKisco, N. Y. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 29. Dezember 1961
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ersten Bauteilgruppe, die ein Trägermittel mit darauf in Zeilen und Spalten aufgetragenen dünnen Magnetfilmelementen enthält. Auf dieser Bauteilgruppe sind verschiedene Schichten von isolierendem und leitendem Material aufgetragen, und zwar in einer derartigen Struktur, daß jedes Magnetelement mit einem Ausgangsleiter und zwei Eingangsleitern gekoppelt ist. Die Leiter sind üblicherweise-in Form von Leiterstreifen nach einem geeigneten Maskenverfahren aufgetragen. Um die Probleme der magnetischen Luftflußkopplung bei Speichern mit einzelnen Schichtelementen zu umgehen, wurde vorgeschlagen, eine zweite Bauteilgruppe, ähnlich der ersten, über der vorauserwähnten Leiterstruktur anzuordnen. Diese zweite Gruppe wird üblicherweise direkt auf die Leiter aufgetragen. Ein jedes Magnetschichtelement erhält daher einen geschlossenen Flußweg. Solche Speicher haben neben den Vorteilen einer hohen Schaltgeschwindigkeit und einer hohen Packungsdichte bei Anordnung nach dem Sandwich-Prinzip verschiedene Nachteile, die im wesentlichen darin bestehen, daß eine Vielzahl von Verfahrensschritten beim Auftragen der zahlreichen, ziemlich dicken Schichten notwendig ist.

Bei Magnetspeichern ist es ferner üblich, die sogenannte leichte Achse der Magnetschichtelemente in eine Richtung zu legen, die gegenüber der Richtung der von den Betriebsleitern erzeugten Magnetfelder um einen Winkel verdreht ist. Die Betriebsleiter kön-

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nen dabei im Bereich der Magnetschichtelemente parallel verlaufen. .Sie erzeugen durch gleichzeitige Stromführung ein gemeinsames Magnetfeld, das die Einspeicherung einer Information in das unter den Leitern befindliche Magnetschichtelement bewirkt. Durch die genannte Versetzung der leichten Magnetisierungsachse um einen bestimmten Winkel erhalten die Magnetisierungsvektoren beim Abklingen der Treiberfelder eine Rotationskomponente, durch die sich die Magnetisierung in die der betreffenden Information zugeordnete Richtung der leichten Achse einstellt. Es sind darüber hinaus Magnetschichtspeicher bekanntgeworden, bei denen an Stelle von diskreten Speicherelementen eine gleichmäßige Magnetschicht auf dem Trägermittel angeordnet ist, in der die Speicherzellen durch die Kreuzungsstellen von koordinatenförmig verlaufenden Betriebsleitern definiert werden. Auch bei diesen Speicheranordnungen ist die Zahl der aufzubringenden Schichten relativ groß.

Gegenstand der Erfindung ist es, einen verbesserten Magnetschichtspeicher zu entwickeln, bei dem die Herstellung durch eine Verringerung der Anzahl der aufzubringenden Schichten vereinfacht werden kann. Bei einem nach dem Koinzidenzstromprinzip arbeitenden Magnetfilm-Datenspeicher mit Speicherelementen, die eine magnetische Vorzugsrichtung aufweisen und mit bandförmigen, den Speicherfunktionen Einschreiben und Abfragen zugeordneten, in Zeilen und Spalten angeordneten Betriebsleitern, die gegenüber der magnetischen Vorzugsrichtung um einen bestimmten Winkel verdrehte Magnetfelder zu erzeugen imstande sind und an der Kreuzungsstelle von Zeilen und Spalten jeweils ein Speicherelement definieren, wobei der Spaltenleiter an der Kreuzungsstelle über eine gewisse Strecke parallel zum Zeilenleiter geführt ist, besteht die Erfindung darin, daß die bandförmigen Betriebsleiter aus magnetisierbarem Material bestehen.

Ein weiteres Merkmal besteht darin, daß die Einschreib- und Abfrageleitungen im Überlappungsbereich eine gemeinsame Vorzugsrichtung haben und durch einen auf beiden Leitungen auftretenden koinzidenten Stromfluß gleicher Polarität in entgegengesetzte remanente Magnetisierungszustände gebracht werden.

Weitere Merkmale der Erfindung sind aus den Ansprüchen in Verbindung mit einem nachfolgend an Hand von Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispiel der Erfindung ersichtlich. Es zeigt

Fig.l eine schematische Darstellung eines Magnetspeichers nach der Erfindung,

F i g. 2 eine vergrößerte Ansicht eines Teiles des Speichers nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt nach Linie3-3 in Fig. 2,

F i g. 4 eine um 90° verdrehte Darstellung des Schnittes nach F i g. 3,

F i g. 5 einen Schnitt nach Linie 5-5 in F i g. 2 und

Fig. 6 eine um 90° verdrehte Darstellung des Schnittes nach F i g. 5.

Die F i g. 1 zeigt einen Magnetkernspeicher, der nach dem Koinzidenzstromprinzip arbeitet. Er enthält eine nichtmagnetische, elektrisch nichtleitende Trägerplatte 10, die z. B. aus Glas hergestellt sein kann. Auf die Platte sind Spaltenleitungen Y₁ bis Y₂, Zeilenleitungen X₁ bis X₂ und eine Abfühlleitung S aufgetragen. Jede der Spalten-, Zeilen- und Abfühlleitungen kann durch eine geeignete Methode, beispielsweise Aufdampfen durch eine Maske, auf der Platte niedergeschlagen werden, so daß jede Leitung die Form eines Leiterstreifens einnimmt. Der Speicher kann in folgenden Schritten hergestellt werden: Als erstes werden die Zeilenleitungen Z₁ bis X₂ als

eine Schicht von annähernd 1000 bis 2000A aus metallischem ferromagnetischem Material aufgetragen. Das Material setzt sich vorzugsweise zusammen aus annähernd 80 % Nickel und 20 % Eisen (NiFe). Die Auftragung geschieht in Anwesenheit eines Magnetfeldes. Jede der Zeilenleitungen erhält so eine uniaxiale Anisotropie mit einer leichten Magnetisierungsachse 12 zur Bildung von entgegengesetzten remanenten stabilen Magnetisierungszuständen. Das orientierende Magnetfeld ist während des Auftragungsprozesses so gerichtet, daß die leichte Achse 12 um einen gewissen Winkel Θ, vorzugsweise 45°, in bezug auf die Längsachse der Zeilenleitungen X liegt. Als nächstes wird eine gleichmäßige Schicht Isolationsmaterial, z. B. Silizium-Monoxyd, mit einer

ao Dicke von 1000 bis 2000 A auf die Oberfläche der Platte 10 und die Leitungen X₁ und X₂ aufgetragen. Ein elektrisch gut leitendes Material, so z. B. Kupfer, wird daraufhin mit einer Dicke von etwa 1000 bis 2000 A auf der Isolationsschicht in Form der Abfühlleitung S aufgetragen. Danach folgt erneut die Aufbringung einer Isolierschicht über die ganze Oberfläche des Trägers. Die Spaltenleitungen F₁ und Y₂ werden durch einen ähnlichen Auftragungsprozeß wie bei den Leitungen Z₁ und X₂ geformt, indem jede Spaltenleitung aus einem metallischen, ferromagnetischen Material besteht und eine uniaxiale Anisotropie mit einer leichten Magnetisierungsachse 14 aufweist. Die X- und Y-Leitungen sind so ausgebildet, daß an ihren überlappenden Bereichen ein Teil von einer Leitung, im ausgeführten Beispiel die Leitung Y, parallel mit einem Teil der anderen Leitung, hier Leitung X, verläuft und die leichten Achsen 14 und 12 parallel zueinander zu liegen kommen.
Die Zeilenleitungen Z₁ und X₂ sind mit einem

Ende mit einer geeigneten Zeilenauswahleinrichtung 16 und mit dem anderen Ende mit Erdpotential verbunden. Die Spaltenleitungen Y₁ und Y₂ sind mit einem Ende an eine geeignete Spaltenauswahleinrichtung 18 angeschlossen und mit ihrem entgegengesetzten Ende geerdet. Die Leseleitung ist einerseits mit einer Auswerteinheit 20 und andererseits mit der Erde verbunden.

Zur Erleichterung der Erklärung ist in F i g. 2 ein überlappender Teil eines X- und Y-Leiters vergrößert dargestellt, wobei die Abfühlleitung S weggelassen wurde. Der überlappende Teil der X- und Y-Leitungen wird als Speicherzelle verwendet. Es wird angenommen, ein Leiter X wird ausgewählt und führt einen Strom in bezug auf F i g. 1 und 2 von links nach rechts. Dieser Strom ist in Fi g. 3 und 4 durch ein Z gekennzeichnet. Er fließt in Richtung des Blattes. Wie aus F i g. 4 ersichtlich ist, baut sich durch diesen Strom ein im Uhrzeigersinn gerichtetes Magnetfeld 22 auf. Die FeldstärkeH (Fig. 3) dieses Feldes erfährt im Zeilenleiter Z ein positives Maximum +H entlang der einen Kante und fällt nach einer hier nicht näher interessierenden Gesetzmäßigkeit ab zu einem negativen Maximum —H an der entgegengesetzten Kante, wobei in der Leitermitte ein feldloser Zustand 0 herrscht. Ein ähnlicher Vorgang findet statt, wenn nur die Spaltenleitung Y erregt wird. Da jedoch kein ausreichend starkes, quer durch eine der ferromagnetischen Leitungen Z oder Y verlaufendes Ma-

gnetfeld erzeugt wird, wenn diese Leitungen individuell erregt werden, verbleibt die remanente Magnetisierung in dem jeweiligen Zustand. Eine Änderung dieses Magnetisierungszustandes findet somit nicht statt.

Die Wirkungsweise der Speicherzelle nach F i g. 2 wird nun an Hand der F i g. 5 erklärt, die einen Querschnitt durch den Überlappungsbereich der Leiter X, Y in F i g. 2 zeigt. Es wird angenommen, daß ein Strom koinzident von links nach rechts (in bezug ίο auf F i g. 2) in der Zeilenleitung X und von oben nach unten in der Spaltenleitung Y fließt. Wie die F i g. 6 zeigt, wird mit diesem in Richtung des Papierblattes in beiden Leitungen X, Y fließenden Strom ein im Uhrzeigersinn gerichtetes Magnetfeld 24 aufgebaut, das sich um beide Leiter X, Y erstreckt. In der Mitte zwischen den Leitungen Z und Y heben sich die von den beiden Leitern erzeugten, gegeneinander gerichteten Feldkomponenten auf, während sie sich in den Leitern selbst summieren. Es entsteht daher ein positives Maximum +H' des Feldes entlang der einen Kante der Leitung X, welches bis auf 0 zur entgegengesetzten Kante abfällt. Das Feld ist ebenfalls 0 an der anliegenden Kante des Leiters Y und fällt weiter ab bis zu einem negativen Maximum —Η' an der entgegengesetzten Kante der Leitung Y. Das über den Leiter X verteilte Feld ist daher positiv und das den Querschnitt der Leitung Y überdeckende Feld ist negativ. Die Magnetisierung des Leiters X im Bereich der gemeinsamen Überlappung wird folglich in eine vorgegebene Richtung gebracht, während sich der Magnetisierungszustand des Leiters Y im Uberlappungsbereich in die entgegengesetzte Richtung einstellt. Analog hierzu wird bei koinzidentem Stromfluß in den Leitungen X, Y in umgekehrter Richtung die Magnetisierung in den überlappenden Bereichen der Leiter Z und Y umgekehrt. Nach Abklingen des Erregerstromes orientiert sich der so in eine von zwei entgegengesetzten Richtungen gebrachte remanente Magnetismus nach den leichten Achsen 12, 14, deren Winkelversatz gegenüber der Längsachse der Leiter bewirkt, daß im Augenblick des Abklingens der Treiberfelder die rechtwinklig zur Leiterachse liegenden Magnetisierungsvektoren einer Rotationskomponente ausgesetzt sind, durch die ein gemeinsames Rückdrehen in die der von den Treiberfeldern erzeugten Magnetisierungsrichtung am nächsten kommende Richtung der leichten Achsen 12,14 sichergestellt wird. Der Magnetisierungszustand von beiden Leitern nach einem Stromfluß gemaß F i g. 6 ist einer gespeicherten binären 1 zugeordnet, wohingegen der umgekehrte Magnetisierungszustand als binäre 0 definiert ist.

Die Abfühlleitung S ist nur in den je eine Speicherzelle bildenden Überlappungsbereichen der Leiter Z und Y mit dem Leiter Z magnetisch gekoppelt. Wird das Magnetmaterial des Leiters Z an einem Überlappungsbereich umgeschaltet, dann wird durch den eintretenden Flußwechsel eine Spannung in der Abfühlleitung S induziert. Angenommen, es soll eine Information in Form einer binären 1 in die durch den Überlappungsbereich der Leiter Y₁ und Z₁ gebildete Speicherzelle eingeschrieben werden. Es fließt ein Strom sowohl durch den Leiter Z₁ als auch durch den Leiter Y₁ mit gleicher Polarität. Der sich im ausgewählten Überlappungsbereich einstellende Magnetisierungszustand ist abhängig von der Polarität der Ströme in den Leitern Z₁, F₁ und entspricht in Übereinstimmung mit der angegebenen Definition einer binären 1 oder einer binären 0.

Die durch den Uberlappungsbereich der Leiter Z₁ und Y₂ gebildete Speicherzelle wird nicht erregt, da das Magnetfeld des Leiters Z₁ in dieser Speicherzelle kein Nutzfeld durch den Querschnittsbereich der Leiter erzeugt. In gleicher Weise wird auch die durch den Uberlappungsbereich der Leitungen Y₁ und Z₂ gebildete Speicherzelle nicht angesprochen, da in ihr kein Nutzfeld durch den Querschnittsbereich der Leitung Y₁ erzeugt wurde.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Magnetfilm-Datenspeicher nach dem Koinzidenzstrornprinzip mit Speicherelementen, die eine magnetische Vorzugsachse aufweisen, und mit bandförmigen, den Speicherfunktionen Einschreiben und Abfragen zugeordneten, in Zeilen und Spalten verlaufenden Treibleitern, die gegenüber der magnetischen Vorzugsachse um einen bestimmten Winkel verdrehte Magnetfelder zu erzeugen imstande sind und an den Kreuzungsstellen von Zeilen und Spalten jeweils ein Speicherelement definieren, wobei der Spaltenleiter an der Kreuzungsstelle über eine gewisse Strecke parallel zum Zeilenleiter geführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die bandförmigen Treibleiter aus magnetisierbarem Material bestehen.

2. Datenspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen (Z, Y) im Uberlappungsbereich eine gemeinsame Vorzugsrichtung haben und durch einen auf beiden Leitungen auftretenden koinzidenten Stromfluß gleicher Polarität in entgegengesetzte remanente Magnetisierungszustände gebracht werden.

3. Datenspeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorzugsrichtung der Leitungen (Z, Y) gegenüber deren Längsachse um einen Winkel von 45° verdreht ist.

4. Datenspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Uberlappungsbereich eine Leseleitung (S) zugeordnet ist.

5. Datenspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen (Z, Y, S) mit einer Dicke von etwa 1000 bis 2000 A ausgebildet sind, auf einen nichtleitenden Träger (10) aufgebracht sind und im Uberlappungsbereich durch je eine Isolierschicht getrennt werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschrift Nr. 1258 112;
Küpfmüller, Einführung in die theoretische Elektrotechnik, 1939, S. 182;

»Electronics«, 5. 6.1959, S. 55 bis 57.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

609 730/286 11.66 ® Bundesdruckerei Berlin