DE1474394A1 - Magnetische Datenspeicheranordnung - Google Patents

Description

Patentanwalt Dipl.-Ing. H. E. Böhmer, Böblingen/Württ., Sindelfinger Str. Tel.: (07031) 6613040

Anmelderin:

Amtl. Aktenzeichen:
Aktenz. d. Anm.:

Böblingen, 21. Dezember 1965 km-sz

International Business Machines Corporation Ar monk 10 504, N. Y.

Neuanmeldung Docket 10 798

Magnetische Datenspeicheranordnung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Datenspeichereinrichtung mit Magnetschichtspoichorolemonten, die oino magnetische Vorzugsachso aufweison, und mit orthogonal verlaufenden, streifenförmigen Treib- und Leseleitungen, die den Magnetschichtspeicherelementen benachbart angeordnet sind und selektiv deren Magnetisierungszustand beeinflussen oder abfühlen.

Bekannte Speicheranordnungen dieser Art verwenden vorwiegend diskrete Speicherelemente in Form von dünnen Magnetschichtabschnitten, die eine magnetische Vorzugsachse aufweisen und in denen Binärinformation durch Ausrichten der Magnetisierung in einer der beiden Richtungen der Vorzugsachse gespeichert wird. Den Speicherelementen benachbart sind streifen-

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förmige Treib- und Leseleitungen angeordnet, über die den Speicherelementen Treiberströme zur Ummagneti sie rung zugeführt bzw. beim Ummagnetisieren der Speicherelemente induzierte Lesesignale entnommen werden. Die Treibleitungen können so angeordnet sein, daß eine erste Treibleitung parallel zur Vorzugsachse bzw. leichten Achse verläuft und durch einen geeigneten Strom ein Magnetfeld in Richtung der harten Achse erzeugt und ein zweiter Treibleiter parallel zur harten Achse verläuft und durch einen Strom geeigneter Polarität wahlweise ein Magnetfeld in der einen oder anderen Richtung der leichten Achse erzeugt.

Bei diesen Speicheranordnungen bildet sich ein starkes Demagnetisierungsfeld an den Grenzen der Speicherelemente aus, das bestimmte Magnet schichtbereiche spontan in einen Magnetisierungszustand ummagnetisiert, der vom jeweiligen, die gespeicherte Information darstellenden Magnetisierungszustand des betreffenden Elementes abweicht. Diese sogenannten Demagnetisierungsbereiche vergrößern sich graduell, wenn auf die Speicherelemente ι Ilalbauswahlmagnetfelder oder Streufelder der Treibleitungen benachbarter Elemente einwirken. Als Folge eines derartigen Kriechschaltens kann die gespeicherte Information verloren gehen. Bisher bekannt gewordene Maßnahmen zur Vermeidung dieses Nachteils sehen vor, die Schichteigenschaften, wie Schichtdicke und kritische Feldstärke für Rotations schalt en, so zu

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dimensionieren, daß die Kriechschaltempfindlichkeit der Speicherelemente auf einem vernachlässigbaren Wert herabgesetzt wird. Hierdurch verteuert sich jedoch die Herstellung der Speicheranordnung erheblich.

Es sind ferner bereits Magnetschichtspeicher bekannt, die eine kontinuierliche dünne Schicht aus magnetischem Material verwenden, auf der die einzelnen Speicherelemente einer Matrix durch die Kreuzungsstellen der Zeilen- und Spaltenleitungen definiert werden. Eine solche Ausbildung hat zwar den Vorteil einer einfacheren Herstellung, sie beseitigt jedoch nicht die Gefahr des Kriechschaltens, das auch hier durch die Ausbildung starker Streufelder in der kontinuierlichen Schicht begünstigt wird.

Es sind auch bereits Magnetschichtspeicher bekannt geworden, die pro Speicherelement zwei übereinander angeordnete diskrete Magnetschichtabschnitte aufweisen, welche durch eine Zwischenschicht voneinander isoliert sind. Die Magnetschichtabschnitte haben eine gemeinsame Vorzugsachse und eine unterschiedliche Koerzitivkraft. Die Anordnung hat den Zweck, ein zerstörungsfreies Lesen zu gestatten, indem bei einer Leseoperation jeweils nur der Schichtabschnitt mit der kleineren Koerzitivkraft ummagnetisiert wird, während der andere Schichtabschnitt die eingestellte Magnetisierung beibehält und nach dem Lesevorgang den Leseschichtabschnitt in den ursprünglichen

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Magnetisierungszustand zurückstellt. ·

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, unter Vermeidung der vorerwähnten Nachteile eine gegen Kriechschalten weitgehend unempfindliche Magnetschicht« Datenspeicheranordnung anzugeben. Dies wird bei einer Anordnung der eingangs genannten Art im wesentlichen dadurch erreicht, daß die Speicherzellen aus zwei übereinander angeordneten, die Breitenabmessungen der Treibleitungen überragenden Magnetschichten bestehen, die durch eine dünne leitende Schicht voneinander getrennt sind.

Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind aus den Ansprüchen in Verbindung mit nachfolgend anhand von Zeichnungen erläuterten Aueführungebeispielen ersichtlich. Es zeigen:

Fig. 1 eine Magnetschichtspeicheranordnung gemäß vorliegender Erfindung mit einem einzigen Speicherelement,

Fig. IA einen Querschnitt durch die Anordnung nach Fig. 1 entlang der Linie 1A-1A, :.;...

Fig. 2 die kritische Kurve für Drehschalten eines Magnetmaterials» das für das Speicherelement der Anordnung nach Fig. 1 verwendbar ist.

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Fig. 3 eine weitere vorteilhafte Ausführungsform einer Magnetschichtspeicheranordnung gemäß der Erfindung mit einem einzelnen Speicherelement»

Fig. 3A ein Querschnitt durch die Anordnung nach Fig. 3 entlang der >. Linie 3A-3A,

Fig. 4 eine matrixförmige Magnetschichtspeicheranordnung, die mit Speicherelementen der gleichen Art aufgebaut ist, wie sie die Anordnung nach den Fig. 1 und IA verwendet«

Fig. 5 eine matrixförmige Magnetsehichtspeicheranordnung, die mit Speicherelementen aufgebaut ist, wie sie die Anordnung nach den Fig. 3 und 3A verwendet,

Fig. 6 die Darstellung verschiedener Magnetfelder, die von der Anordnung nach Fig» 1 im Bereich eines Querschnittes entlang der Linie 6-6 erzeugt werden« und

Fig. 7 eine Speicheranordnung gemäß vorliegender Erfindung in Form einer dreidimensionalen Matrix.

Die Fig. 1 und IA zeigen eine symmetrische Magnetschichtspeicheranordnung, die lediglich aus Gründen der einfacheren Darstellung nur ein Speicherelement aufweist. Dieses Speicherelement umfaßt eine elektrisch leitende Schicht 12,

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die als Grundplatte dient und auf einer Seite eine erste Schicht 14 aus magnetischem Material und auf der anderen Seite eine zweite Schicht 16 aus magnetischem Materialträgt. Das Speicherelement wird durch den Kreu2ungabereich von Treibleitungen begrenzt. Die Magnetschichten 14 und 16 weisen magnetische Vorzugsachsen auf und bestehen beispielsweise aus Permalloy

• ο mit einer Dicke von annähernd 1000 bis 20 000 A . Sie bilden demzufolge

sogenannte dünne oder dicke Magnetschichten. Die elektrisch leitende Schicht 12 besteht beispielsweise aus Gold, Silber, Kupfer oder Aluminium und kann

ο
eine Dicke von annähernd 5.000 bis 50.000 A bei normaler Arbeitstemperatur haben. Streifenförmige elektrische Leiter 20 und 22, die als gemeinsame Bit- und Leseleitungen verwendet werden, sind über den Magnetschichten 14 und 16 angeordnet. Diese Streifenleiter sind in ihrer Breite kleiner als die Ausdehnung der Magnetschichten 14 und 16 in der gleichen Richtung. Sie verlaufen rechtwinkelig zu den leichten Achsen der Magnetschichten.

Weitere elektrisch leitende Streifen 24 und 26, die als Wortleitungen dienen und von denen jeder eine kleinere Breite als die Abmessung der Magnetschichten 14 und 16 in der entsprechenden Richtung aufweist, sind über den Streifenleitungen 20 und 22 rechtwinkelig zu diesen angeordnet. Es sei erwähnt, diQ zwischen den Streifenleitungen 20 und 24 und zwischen den Streifenleitungen 22 und 26 sowie zwischen der Streifenleitung 20 und der Magnetschicht 14

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und zwichen der Streifenleitung 22 und der Magnetschicht 16 nicht dargestellte Isolierschichten angeordnet sind, die beispielsweise aus Mylar bestehen können. Die Magnetschichten 14 und 16 sind direkt auf der Grundplatte 12 angebracht, wenn diese aus einem neutralen Metall, wie z. B. Gold besteht, das nicht in Wechselwirkungen mit dem magnetischen Material tritt oder in dieses diffundiert. Bei einer Grundplatte aus weniger neutralen Materialien, beispielsweise Kupfer, ist es zweckmäßig, die Magnetschichten 14 und 16 von der leitenden Schicht 12 durch dünne Schichten, beispielsweise aus Silicium-Monoxyd, zu trennen. In jedem Fall muß das magnetische Material auf der Schicht 12 in einer geeigneten Gleichmäßigkeit aufgebracht sein, die auch bei Verwendung einer Zwischenschicht Silicium-Monoxyd erreicht werden kann. Die Aufbringung der Magnetschichten 14 und 16 kann durch Aufdampfen, Elektroplattieren oder durch Kathodenzerstäubung von Magnetmaterial auf beideiSeiten einer gleichmäßigen Schicht aus leitendem Material erfolgen. Es kann jedoch auch eine dünne Trägerplatte aus isolierendem Material verwendet werden, auf die nacheinander eine erste Schicht aus Magnetmaterial, eine leitende Schicht und eine zweite Schicht aus Magnetmaterial aufgedampft wird. Nachdem der Aufdampßingsprozess beendet

ist, können vorgefertigte Streifenleitungen über die Magnetschichten gebracht werden.

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Die Streifenleitung 20 ist an einem Ende mit einem Schalter 28 und am anderen Ende über einen geeigneten Abschlußwiderstand 30 mit der elektrisch leitenden Schicht 12 verbunden. Der Streifenleiter 22 ist an einem Ende ebenfalls an den Schalter 28 angeschlossen und mit seinem anderen Ende über einen entsprechenden Abschlußwiderstand mit der Schicht 12 verbunden. Der Schalter 28 koppelt die Streifenleiter 20, 22 entweder mit einem Bittreiber 32 oder einem Leseverstärker 34. Eine zweite Eingangsleitüng des Leseverstärkers 34 und des Treibers 32 ist mit einer dem Anschlußpunkt der Streifenleiter 20 und 22 entgegengesetzten Kante der Schicht 12 verbunden. Der Streifenleiter 24 ist an einem Ende mit dem ersten Anschluß eines Worttreibers 36

ι J und mit dem anderen Eade über einen geeigneten Ab Schluß wider stand 38 mit einer Kante der Schicht 12 verbunden. Der Streifenleiter 26 ist mit einem Ende an den ersten Anschluß des Worttreibers 36 und dem anderen Ende über-den Abschlußwiderstand 38 mit der erwähnten Kante der Schicht 12 gekoppelt. Ein zweiter Anschluß des Worttreibers 36 steht mit einer entgegengesetzten Kante der Schicht 12 in Verbindung. Schalter 40 und 42 sind zwischen den Streifenleitern 24 und 26 und dem ersten Anschluß des Worttreibers 36 angeordnet.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 1 sei auf Fig. 2 Bezug genommen. Die magnetische Vorzugsrichtung der Magnetschichten .

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ORIGINAL INSPECTED

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14 und 16 entspricht der H -Achse und die rechtwinkelig zur Vorzugerichtung liegende harte Achse entspricht der II -Achse in Fig. 2. Die Anisotropiefeldstärke ist in Abhängigkeit von der uniaxialen magnetischen Anisotropiekonstante k durch die Beziehung II, ^a 2 gegeben, worin M die

~M* magnetische Sättigung ist. H, kann einen Wert weniger als 1 bis zu

15 Oersted haben. Die kritische Kurve für Rotationsschaltungen weist vier Teile 44 auf, die eine Asteroide bilden, welche die minimale Grenze für extern angelegte Magnetfelder angibt, die für ein Rotations schalten des Speicherelementes 10 notwendig sind. Ein Magnetfeld oder eine Kombination magnetischer Felder mit einer Resultierenden, die außerhalb der Asfe*oide liegt, wie beispielsweise durch die Zeile 46 oder 48 in Fig. 2 angegeben, bewirkt ein irreversibles Umschalten der Magnetisierung im Speicherelement 10 durch einen schnellen Drehprozess der magnetischen Vektoren. Das durch den Pfeil 46 angegebene Magnetfeld kann durch ein in Richtung der harten Achse angelegtes Magnetfeld, das durch den Pfeil 50 dargestellt ist, und ein in der leichten Achse verlaufendes durch den Pfeil 52 dargestelltes Magnetfeld erzeugt werden. Das resultierende Magnetfeld 46 dient zur Speicherung einer" binären 1. Ferner kann ein Magnetfeld 48 durch Anlegen eines Magnetfeldes 50 in der harten Magnetisierungsachse und des Magnetfeldes 54 in Richtung der leichten Magnetisierungsachse erzeugt werden. Dieses Magnetfeld kann zum Einspeichern eines binären Null-Bits in das Speicherelement 10 verwendet werden.

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Um Information in das Speicherelement 10 nach Fig. 1 einzuspeichern, wird durch ein Stromimpuls in den Wortleitungen 24, 26 ein Magnetfeld erzeugt, das eine Stärke aufweist, die durch den Pfeil 50 in Fig. 2 dargestellt ist. Dieses Magnetfeld weist einen rechten Winkel zur magnetischen Vorzugsachse der Schichten 14 und 16 auf, so daß es mit der Richtung der harten Achse übereinstimmt. Vom Bittreiber 32 wird über den Schalter 28 ein positiver oder negativer Impuls auf die Leitungen 20, 22 gegeben, der ein Magnetfeld entlang der magnetischen Vorzugsachse der Schichten 14 und 16 erzeugt. Es ist ersichtlich, daß ein Stromimpuls in den Wortleitungen 24 und 26 in beiden Magnetschichten 14, 16 wirksam wird und deren Magnetisierung rechtwinkelig zur leichten Achse auslenkt. Wenn daher nur der Wortstrom im Speicherelement 10 wirksam ist, zeigt die Magnetisierung der Speicherschleifen 14 und 16 weder einen Null- noch einen Eins-Wert an. Wenn jedoch ein Strom in den Wortleitungen 24 und 26 zugleich mit einem Strom in den Bitleitungen 20, 22 auftritt, wird die Magnetisierung in den Schichten 14, 16 um einen Winkel aus der Richtung der harten Achse ausgelenkt, wobei die Richtung dieser Aus-' lenkung davon abhang'., ob ein positiver oder negativer Stromimpuls durch die Bitleitungen 20, 22 fließt. Für das Einschreiben einer 1 in das Speicherelement 10 wird angenommen,daß ein positiver Stromimpuls vom Worttreiber 36 durch die Wortleitungen 24, 26 fließt und gleichzeitig ist ein positiver Stromimpuls vom Bittreiber 32 durch die Bitleitungen 20, 22 fließt. Der Wort-

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stromimpuls auf den Leitungen 24, 26 wird beendet, bevor der Bitstromimpuls auf den Leitungen 20, 22 abklingt, um sicherzustellen, daß die Rotation der magnetschen Bipole in die gewünschte Richtung der leichten Magnetisierungsachse

erfolgt. Wenn nur ein positiver Wortstromimpuls über die

Leitungen 24 und 26 danSpeicherelement zugeführt wird, dann stellt sich die Magnetisierung in der Magnetschicht 14 in eine bestimmte Richtung der harten Achse ein, während die Magnetisierung in der Magnetschicht 16 eine entgegengesetzte oder antiparallele Richtung in bezug auf die Magnetisierung der Magnetschicht 14 einnimmt. Wenn daraufhin ein positiver Bitimpuls an die Bitleiturgm 20, 22 angelegt wird, wird die Magnetisierung in beiden Magnetschichten 14 und 16 im Uhrzeigersinn ausgelenkt in Richtung ihrer leichten Achsen H . Sobald der positive Wortimpuls in den Leitern 24, 26 beendet wird, geht die Magnetisierung in der Magnetschicht 14 in eine Richtung über, die durch den Pfeil 56 in Fig. IA dargestellt ist, und die Magnetisierung der Schicht 16 geht in eine hierzu antiparallele Richtung, wie sie durch den Pfeil 58 angegeben wird. Aus Fig. IA ist ersichtlich, daß, da die Magnetisierung in der Schicht 14 nach rechts und die Magnetisierung in der Schicht 16 nach links zeigt und da beide Schichten nur durch eine sehr dünne nicht magnetische Schicht voneinander getrennt sind, ein im wesentlichen geschlossener magnetischer Flußpfad erzeugt wird, wodurch die Ausbildung von Streufeldern im Speicherelement 10 verhindert wird. In Fig. IA fließt der Strom in den Streifenleitungen 20 und 22

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aus der Ebene der Zeichnung heraus, wie es durchdie schwarzen Punkte in diesen Leiterteilen angedeutet ist, und im Leiter 12 in die Zeichnungsebene hinein, wie es das Kreuz in diesem Leiter angibt. Die Magnetfelder, die durch

die Ströme in den Leitern 12, 20 und 22 erzeugt werden, haben daher die durch die Pfeile 56 und 58 bezeichnete Richtung. ■ · -· . .

Um eine hohe Packungsdichte der Anordnung zu gestatten^ muß die Dauer der Treibimpulse sehr kurz sein, nämlich etwa eine Mikrosekunde oder Vorzugs- , weise weniger, so daß eine Stromausbreitung in der Leiterschicht 12 verhindert wird. Bei Verwendung einer Impulsdauer von annähernd 10 ns bis zu einer us konzentriert sich der Strom in der Leiterschicht 12 in Form eines reflektierten Bildes der stromführenden Streifenleiter 20, 22, 24 oder 26. Die wirksame Breite des Rückleiterpfades in der leitenden Schicht 12 für die durch die Wort- oder Bitleitungen 24, 26 oder 20, 22· fließenden Ströme ist somit im wesentlichen gleich der Streifenbreite dieser Leitungen. Die Auswahl und Umschaltung des Speicherelementes 10 geschieht daher bei Überschneidung der sich zeitlich überlappenden Wort- und Bitstromimpulse in der Leiterschicht 12.

Bei Speiche rung einer binären Null in der Speicherzelle 10 sind die Magnetisierungsrichtungen in den magnetischen Schichten 14 und 16 entgegengesetzt dem Magnetisierungszustand, welcher der Speicherung einer binären Eins zugeordnet ist.

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Das Lesen der im Speicherelement 10 gespeicherten Information wird erreicht, indem die Bitleitungen 20, 22 über den Schalter 28 mit dem Leseverstärker 34 verbunden werden und ein Wortstromimpuls an die Wortleitungen . 24, 26 angelegt wird. Die Ausgangsimpulse sind bipolar; eine positive Spannung stellt beispielsweise ein . Einsr-Informations-Bit und eine negative Spannung ein Null-Bit dar.

Durch die dicht benachbarte Anordnung der Magnetschicht en 14 und 16 wird eine magnetische Doppelschicht gebildet, in der eine magnetostatische Kopplung das Demagnetisierungsfeld in jeder der beiden Magnete chichten ohne Rücksicht auf die Richtung der Magnetisierung im wesentlichen beseitigt.

Obgleich die Arbeitsweise der Anordnung nach den Fig. 1 und IA vorausgehend anhand von sich zeitlich überlappenden orthogonalen Wort-und Bit-Magnetfeldern 50 und 52 (Fig. 2) erläutert wurde, kann sie auch in Verbindung mit koinzidenten orthogonalen Wort- und Bit-Magnetfeldern verwendet werden, von denen keines dem Grenzwert H. überschreitet, die aber gemeinsam ein resultierendes Magnetfeld erzeugen, das außerhalb der Asteroide von Fig. 2 liegt. Diese Schaltungstechnik erzeugt in bekannten Magnetschicht-Speicherelemett en nur eine teilweise Rotation der Magnetisierungsvektoren wegen der Anwesenheit von starken blockierenden Streufeldern. Bei der Anordnung nach der Erfindung werden als Folge der magnetostatischen Kopplung die Streufelder« die

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normalerweise ein kohärentes Rotations schalten verhindern, eliminiert.

Das kohärente Hotationsschalten im Speicherelement nach der Erfindung kann auch durch Anlegen von Treibfeldern an schmale Bereiche, deren Abmessungen im wesentlichen nicht größer als die Wellenlänge der Teürotation der verbleibenden Bereiche sind, erreicht werden. Diese Technik ist im Detail in der Veröffentlichung'tBM Journal of Re se ach and Development", Vol. 6, No. 4, Okt. 1962, Seiten 394 bis 406 durch einen Artikel von S.

Middelhoek beschrieben. Es wurde gefunden, daß die Treibfelder an solche schmalen Magnetschichtbereiche durch Verwendung orthogonal angeordneter Streifenleitungen angelegt werden können, von denen jede eine Breite in der Größenordnung von 100 Mikron aufweist. Um starke Ausgangs signale zu erzeugen, können mehrere Speicherzellen zur Speicherung eines Informationsbits durch Parallelverbindung kombiniert werden.

Es wird ferner darauf hingewiesen, daß die Anordnung nach der-Erfindung auch mit unipolaren Bittreibimpulsen betrieben werden kann, wobei die Wortleitungen in einem spitzen Winkel in bezug auf die leichte Achse der Magnetschichten angeordnet sind. Dieser spitze Winkel sollte mindestens der Summe der Streuung und Abweichung der magnetischen Schichten 14 und 15 voneinander entsprechen, deren Winkel im allgemeinen größer als 5 ist. Einer solchen Anordnung wird ein Bitimpuls einer festen Polarität

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an die Bitleitungen 20, 22 gemeinsam mit einem Wortimpuls zugeführt, um ein Eins-Informationsbit einzuschreiben, während das Null-Bit ohne Anlegen eines Bitimpulses an die Leitungen 20, 22 nur durch Vorhandensein eines Wortimpulses eingeschrieben wird.

Die Fig. 3 und 3A zeigen eine weitere vorteilhafte Ausbildungsform einer Magnetschichtspeicheranordnung nach der Erfindung, wobei unsymmetrische Treibleitungen verwendet werden. Diese Anordnung besteht aus einem Speicherelement 10, der in den Fig. 1 und IA dargestellten Art und Treibleitungen 20 und 24, die direkt an Bit- und Worttreiberstufen 32 und 36 angeschlossen sind. Die in den Fig. 1 und IA zu unterst gezeichneten Treibleitungen 22, 26 wurden bei der Ausführung nach den Fig. 3 und 3A weggelassen und an ihrer Stelle eine einzelne Streifenleitung 60 angeordnet, die als Leseleitung dient. Die Leseleitung 60 kann eine Dicke aufweisen, die der Dicke der Streifenleitungen 20 und 24 entspricht, während ihre Breite vorzugsweise kleiner ist als die Breite der Streifenleitungen 20 oder 24. Die Leseleitung 60 ist an einem Ende mit einem Leseverstärker 34 und am anderen Ende mit der leitenden Schicht 12 über den Widerstand 30 gekoppelt« Der Schalter 28 der Fig. 1 wurde elanfalls weggelassen. Die Bitleitung 20 und der Bittreiber 32 sind direkt miteinander verbunden.

Die Arbeitsweise der in Fig. 3 und 3A dargestellten Anordnung besteht darin.

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daß die Magnetschicht 14 durch die Überlagerung der Magnetfelder der Treiberströme in den Treibleitungen und in der leitenden Schicht 12 in der in Verbindung mit Fig. 1 beschriebenen Weise gesteuert wird. Die Magnetschicht 16 erhält dagegen bei dieser unsymmetrischen Anordnung ein viel kleineres T»bfeld als die Magnetschicht 14. Sofern jedoch die magnetostatische Kopplung zwischen den Schichten 14 und 16 stark genug ist, stellt sich die Magnetisierung in der Schicht 16 stets antiparallel zu der Magnetisierung in der Schicht 14 ein. Es ist jedoch erforderlich, daß der Wortstrom in der Leitung 24 doppelt so stark ist als der Wortstrom in den Wortleitungen 24, 26 der Anordnung nach Fig. 1. Andererseits ist die effektive Anisotropiestärke der unsymmetrischen Ausbildung nach Fig. 3 doppelt so groß als die Anisotropiestärke der symmetrischen Ausbildung nach Fig. 1. * . .

Die Magnetschichtspeicheranordnung gemäß der Fig. 3 und 3A liefert ein hohes Nutzsignal-Störsignal-Verhältnis, da die Treibleitungen und die Leseleitung durch die Magnetschichten 14, 16 und die leitende Schicht 12 voneinander getrennt sind.

Die Fig. 4zeigt eine ebene Matrix 11, die eine Anzahl Speicherelemente 10.1 bis 10.9 von der in den Fig. 1 und IA beschriebenen Art aufweist. Die Speicherelemente werden durch die Schnittpunkte von Wortleitungen 24.1 und 26.1, 24.2

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und 26.2, 24. 3 und 26. 3 mit den Bitleitungen 20.1 und 22l I₁ 20.2 und 22.2, 20. 3 und 22. 3 definiert. Diese Speichermatrix ist wortorganisiert aufgebaut.

. Die Wortleitungen 24.1-26.1, 24.2-26.2 und 24. 3-26. 3 sind an einem Ende an'eine Wortauewahl- und Treiberschaltung 64 angeschlossen und am anderen Ende mit der Grundplatte 12.1 durch entsprechende Ab Schluß wider stände 38. V 38.2 und 38. 3 verbunden oder unter Weglassung dieser Widerstände direkt an die Grundplatte 12.1 angeschlossen. Die Wortauswahl- und Treibschaltung 24 führt eine Adressenauswahl einer bestimmten der Wortleitungen 24.1-26.1, 24.2 -26.2 oder 24. 3-26. 3 durch und erzeugt Treibimpulse entsprechend den von dem Worttreiber 36 der Anordnung nach Fig. 1 erzeugten Treibimpulsen. Die Bitleitungen 20.1-22.1, 20.2-22.2 und 20. 3-22. 3 sind an einem Ende wahlweise mit einer Bitauswahl- und Treiberschaltung 66 oder Leseverstärkern 34.1, 34.2, 34. 3 über entsprechende Schalter 28.1, 28.2 und 28. 3 verbunden und mit dem anderen Ende über entsprechende Abschluß widerstände 30.1, 30.2 und 30.3 an die Grundplatte 12.1 angeschlossen. Auch hier kann im Bedarfsfalle ein direkter Anschluß der Bitleitungen unter Weglassung der Widerstände 30.1, 30.2 und 30. 3 an die Grundplatte 12.1 erfolgen. Die Verstärker 34.1, 34.2 und 34. 3 und die Bitauswahl- und Treiberschaltung 66 sind mit einem zweiten Anschluß ebenfalls mit der Grundplatte 12.1 verbunden. Die Bitauswahl- und Treiberschaltung 66 dient zur Adressierung einer bestimmten der Bitleitungen 20.1-22.1, 20. 2-22. 2 oder 20. 3-22. 3 sowie zur Erzeugung

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von Bitimpulaen, die den vom Bittreiber 32 von Fig. 1 erzeugten Bitimpulsen entsprechen. Ein jeder der Schalter 28.1, 28.2 und 28.3 entspricht dem Schalter 28. von Fig. 1.

Wenn ein Eins- oder Null-Informationsbit in die Speicherzellen der Matrix, beispielsweise in die Zellen 10.4, 10.5 und 10.6 der Wortleitungen 24.2 -26.2 eingeschrieben werden soll^ , wird die Wortauswahl- und Treiberschaltung 64 betätigt, um einen Strom in den Wortleitungen 24.2-26.2 zu erzeugen,

ψ der ein Magnetfeld entlang der harten Achse der betreffenden Speicherelemente bewirkt. Außerdem wird die Bitauswahl- und Treiberschaltung 66 betätigt, um einen Stromimpuls an die Bitleitungen 20.1 - 22.1, 20.2 - 22.2 und 20. 3 -22. 3 zu liefern, der Magnetfelder erzeugt, deren Polarität entsprechend den Teilen 52 oder 54 von Fig. 2 mit dem in den Speicherelementen 10.4, 10.5 und 10.6 zu speichernden Informationsbits in Übereinstimmung steht, so daß in der Verbindung mit den Fig. 1 und IA beschriebenen Weise das Einschreiben eines Eins- oder Null-Bits in das jeweilige Speicherelement

. erfolgt. Zum Lesen von Informationen aus den Speicherelementen 10.4, 10.5

und 10.6 wird wiederum die Wortauswahl- und Treiberschaltung 64 betätigt, um einen Strom in die Wortleitungen 24. 2..- 26.2 zu liefern, der eine Orientierung der Magnetisierung in diesen Speicherelementen entlang der harten Achse bewirkt. Wenn eine zerstörende Leseoperation erwünscht ist, so hat Strom eine Stärke, die ausreicht, um die Magnetisierung vollständig

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in die Richtung der harten Achse aus zulenken. Wenn jedoch eine nicht zerstörende Leseoperation ausgeführt werden soll, dann ist die Stärke der Stromimpulse in den Wortleitungen 24.2 - 26.2 kleiner als diejenige, die eine vollständige Ausrichtung der Magnetisierung in den Doppelschicht-Speicherzellen 10.4, 10.5 und 10.6 entlang der harten Achse bewirken würde. Die Ausgangssignale der Speicherzellen 10.4, 10.5 und 10.6 sind bipolar, wie in Verbindung mit Fig. 1 erläutert wurde, und werden zu den entsprechenden Leseverstärkern 34.1, 34.2 und 34. 3 über die in einer geeigneten Weise eingestellten Schalter 28.1, 28.2 und 28. 3 geleitet. In der gleichen Weise wird Information in die Speicherzellen 10.1, 10.2, 10. 3 und 10. 7, 10.8, 10.9 eingeschrieben oder aus diesen Speicherzellen gelesen mit Hilfe der Wortleitungen 24.1-26.1 und 24. 3-26.3.

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Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß die nicht ausgewählten Speicherzellen keinem Streufeld von den Speicherzellen benachbareter ausgewählter Vi ort leitungen ausgesetzt sind, da die starke magnetostatische Kopplung, die in allen Richtungen zwischen den Magnetschichten 14.1 und 16.1 vorhanden ist, die Ausbreitung von Streufeldern von einer Speicherzelle zu einer anderen wesentlich abschwächt oder völlig eliminiert.

Die Fig. 5 zeigt eine andere vorteilhafte Ausbildungsform w des erfindungsgemäßen Magnetschicht Speichers., die eine ebene Matrix 11 mit Speicherelementen 10.1 bis 10.9 analog zu der Matrix nach Fig. 4 enthält, die sich aber von dieser dadurch unterscheidet, daß sie eine unsymmetrische Treibleiteranordnung verwendet. Es sind nur Bit-Treibleitungen 20.1, 20.2 und 20.3 und Worttreibleitungen 24.1, 24.2 und 24.J vorgesehen, die alle auf einer Seite der beiden Magnetschichten und der leitenden Schicht 12.1 angeordnet sind. Auf der anderen Seite dieser Schichten befinden sich Leseleitungen 60.1, 60.2 und 6O.jJ, die parallel zu den entsprechenden Bitleitungen 20.1, 20.2 und 20.3» verlaufen, so daß sich an den Kreuzungsstellen dieser Leitungen Speicherelemente der in Fig. 3 dargestellten Art ergeben. Das eine Ende einer Jeden der Bitleitungen 20.1, 20.2 und 20.3 und der Leseleitungen 60.1, 60.2 und 60.3 ist mit der Grundplatte 12.1 über entsprechende Abschlußwiderstände 30.4, 30.5 und 30.6

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verbunden, und das andere Ende einer Jeden der Bitleitungen 20.1, 20.2 und 200 ist an die Bitauswahl- und Treiberwchaltung 66 angeschlossen, während das andere Ende der Leseleitungen 60.1, 60.2 und 6O.3 an entsprechende Leseverstärker 34.1, 34.2 und 34.3 angeschlossen ist. Die Bitauswahl- und Treiberschaltung 66 und jeder der Leseverstärker 34.1, 34.2 und 34.3 hat ferner einen Anschluß, der mit der Grundplatte 12.1 in Verbindung steht. Ein Ende einer jeden der Wortleitungen 24.1, 24.2 und 24.3 ist mit der Grundplatte 12.1 über entsprechende Abschlußwiderstände 38.4, 38.5 und 38.6 verbunden und die anderen Enden dieser Leitungen führen zu der Wortauswahl- und Treiberschaltung 64, die über einen zweiten Eingang ebenfalls mit der Grundplatte 12.1 verbunden ist.

Die Arbeitsweise dieser Anordnung ist ähnlich der in Verbindung mit Fig. 4 beschriebenen. Der einzige Unterschied besteht darin, daß die Leseverstärker 34.1, 34.2 und 34.3 die Lesesignale von den Leitungen 60.I, 60.2 und 6O.3 direkt zugeführt bekommen und auch die Bitauswahl- und Treiberschaltung 66 direkt mit den Bitleitungen 20.1, 20.2 und 20.3 verbunden ist.

Die vorausgehend erläuterten Ausführungsbeispiele der Erfindung waren zweidimensionale Speichersysteme. Es 1st in solchen Systemen bekannt, daß die Anzahl der V/orttreiber gleich der

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■ I H f H O C? H

Anzahl η der zu speichernden Worte ist. Es ist auch bekannt, daß in einem Bit organisierten dreidimensionalen

Speichersystem die Anzahl der Worttreiber von η eines zweidin;ensionalen Systems auf 2n reduziert werden kann. Gemäß der Erfindung wird nachfolgend eine dreidimensionale Magnetschichtspeicheranordnung beschrieben, bei der der Stromfluß durch einen jeden der beiden parallelen Streifenleitungen, entlang deren die magnetischen Doppelschiehtelemente angeordnet sind, separat gesteuert wird, um unterschiedliche Winkelauslenkungen der Magnetisierung in den einzelnen Magnetschichten in Richtung der harten Achse zu bewirken.

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Zum besseren Verständnis der Arbeitsweise der dreidimensionalen Magnetschichtspeichereinrichtung nach Fig. 7 wird noch einmal auf die Einrichtung von Fig. 1 Bezug genommen, wo zwischen den Wort-Treibleitungen 24 und 26 und dem Treiber 36 Schalter 40 und 42 angeordnet sind. Wenn der Schalter geschlossen und der Schalter 42 geöffnet ist, dann werden die im Speicherelement 10 wirksamen Magnetfelder durch den Strom in der Streifenleitung 24 und der Grundplatte 12 erzeugt, wie durch die Kurve 68 in Fig. 6 dargestellt. Diese Kurve ist auf einen Querschnitt der Speicherzelle 10 und der Treibleitungen 24 und 26 entlang der Linie 6¹O von Fig. 1 bezogen. Die Linie 6-6 verläuft parallel zur harten Achse der Macnetschichten 14 und 16. Aus Fig. 6 ist zu ersehen, daß die durch die Kurve 63 dargestellte Magnetfeldverteilung in der Magnetschicht 14 eine Magnetisierung in einer gegebenen Richtung erzeugt, die hier als negativ bezeichnet wird.

Wenn andererseits der Sehalter 42 geschlossen und der Schalter 40 geöffnet ist, wird eine Magnetfeldverteilung durch einen Strom in der Streifenleitung 26 und in der Grundplatte 12 erzeugt, welche die Kurve 70 in Fig. 6 illustriert. Es ist zu ersehen, daß die Magnetfeldverteilung 70 die Magnetisierung der Magnetschicht 16 in eine Richtung auslenkt, die im wesentlichen entgegengesetzt der Magnetisierungsrichtung ist, die durch die Magnetfeldverteilung 68

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in der Magnetschicht 14 erzeugt wird, und die hier als positive Richtung bezeichnet wird. Wenn beide Schalter 40 und 42 der Anordnung nach Fig. 1 geschlossen sind, stellt sich eino Magnetfeldverteilung 72 ein, die eine resultierende der Kurven 68 und 70 ist. Es ist zu ersehen, daß das in der harten Richtung wirksame Magnetfeld, das durch gleichzeitig in den Streifenleitungen 24 und 26 fließende Ströme erzeugt wird, die Magnetisierung in der Magnetschicht 14 entlang der harten Achse in die negative Richtung orientiert und die Magnetisierung in der Magnetschicht 16 entlang der harten Achse in die positive Richtung orientiert. Es wurde gefunden, daß die durch eine Feldverteilung gemäß der Kurve

H entsoricht 72 erzeugte antiparallele Magnetisierung sinG = rr~/» worin

H das angelegte Magnetfeld und H. die uniaxiale Anisouropiefeldatärke ist. Wenn lediglich ein Strom durch einen der Streifenleiter, beispielsweise durch den Streifenleiter 24 •fließt, wird die Magnetisierung in der Magnetsschicht 16 durch das in der Ebene dieser Magnetschicht wirkende Streufeld der Magnetisierung der Magnetschicht 14 umgeschaltet. ' . In diesem Fall wird der Umschaltwinkel θ durch die Gleichung sinö β -^TT- bestimmt. Daraus folgt, daß bei einem Wortfeld,

k
welches nur durch einen der Streifenleiter 24 und 26 erzeugt wird und dessen Stärke dem Wert H. entspricht, der Winkel θ nur 30° beträgt. Durch Messungen wurde ermittelt, daß bei diesem Auslenkungswinkel die Magnetisierung der Magnet-

noch
schichten/nicht durch Kriechen beeinflußt wird.

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Die Fig. 7 zeigt eine dreidimensionale Magnetschicht-Speichcranordnung, die vier Matrixebenen 11.1, 11.2, 11.^J und 11.4 aufweist, von denen jede eine symetrische Treibleiterführung entsprechender Ausführungsform nach Fig. 4 aufweist. Die Speicheranordnung umfaßt Treibleitunken Z₁, Z₂, Z, und Z^, die in Fig. 7 an der unteren Seite der Ebenen 11.1, 11.2, 11.5 und 11.4 angeordnet sind und von denen jede einem Streifenleiter 26 von Fig. 1 entspricht. Die Z-Leitungcn sind mit einer geeigneten Z-Treiberschaltung 74,verbunden, die selektiv Stromimpulse zu den Z-LcItungen liefert. Es sind ferner eine Anzahl Leitungen Y1, Y2, Y^ und Y4 vorgesehen, die schleifenförmig auf der Oberseite der Ebenen 11.1, 11.2, 11.J5 und 11.4 verlaufen und T^eibleitungen entsprechend der Streifenleitung 24 von Fig. 1 bilden. Die Y-Leitungen sind an eine Y-Treiberschaltung 76 abgeschlossen, die selektiv Stromirapulse zu den Y-Leitungen liefert. Die Y- und Z-Leitungen sind so angeordnet, daß der gleichzeitig durch diese Leitungen fließende Strom in bezug auf jede der Speicherzellen die gleiche Richtung aufweist, ν.·ie dies bei den Wortleitungen der Matrix nach Fig. 4 der Fall ist. V/eitere Leitungen X₁ - Χ_χ', X₃ ¹- X₃ ¹, X - X ' und und X₄-X₄' sind in jeder der vier Ebenen 11.1, 11.2, 11.3 und 11.4 rechtwinklig zu den Y- und Z-Leitungen verlaufend anordnet. Die X¹-Leitungen verlaufen unterhalb der Ebenen 11, während die X-Leitungen auf der Oberseite dieser Ebenen angeordnet sind. Jedes Paar X-X¹-Leitungen entspricht den Bit-Leitungen 20-22 der Anordnung nach Flg. 1 und ist an

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eine X-Treiber- und Lese-Schaltung 78 angeschlossen, die selektiv Stromimpulse an ausgewählte Paare der X-X¹-Leitungen anlegt und während der Lese-Operation von diesen , ausgewählten Leitungspaaren Leseimpulse empfängt. Die X-X¹-Leitungen Jeweils einer der Ebenen 11.1, 11.2, HO und 11.4 sind mit der X-Treiber- und Leseschaltung 7& über eine Schalteranordnung 80, 82/ 84 oder 86 verbunden, die durch die Y-Wortimpulse der betreffenden Ebene betätigt werden. Durch Verwendung dieser Schalteranordnungen 80, 82, 84 und 86 wird die Anzahl der Leseverstärker, die für die gesamte dreidimensionale Speicheranordnung notwendig sind, auf die Anzahl der in einem Wort enthaltenen Bits reduziert. Die als Beispiel dargestellte Speicheranordnung ist zur Speicherung von 4 Worten in jeder d§r Ebenen 10*l# 10.2, 1OO und 10.4 eingerichtet, wobei jedes dieser Worte 4 Bits aufweist. Soll beispielsweise das durch die Yp-Leitung und die Zp-Leitung definierte Wort aus der Ebene 11.2 zur Informationsaufnahme ausgewählt werden, so wird ein kurzer Stromimpuls an die Yp-Leitung durch die Y-Treiberschaltung 76 angelegt und koinzident dazu ein zweiter kurzer Stromimpuls gleicher Polarität und Größe von der Z-Treiberschaltung 74 an die Zp-Leitung geliefert. Diese beiden Impulse erzeugen ein Magnetfeld, das die Magnetisierung in den Magnetschichten einer jeden Speicherzelle des ausgewählten Wortes ausreichend stark in die Richtung der harten Achse auslenkt, so daß es kurzen Stromimpulsen in den Leitungen X^- X*, X₂ - X₂ ¹,

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X - X ' und X - X ' der Ebene 11.2 mößlich ist, die netisierung In die gewünschte Richtung der leichten Achse zu schalten, entsprechend der Speicherung einer binären Null oder einer binären Eins. Dies geschieht in der gleichen Weise, die in Verbindung mit Fig. 4 beschrieben wurde. Um Informationen aus dem gleichen, durch die Leitungen Y₂ - Z₂ definierten,Wort-der Ebene 11.2 zu entnehmen, werden wiederum über die Leitungen Y₂ und Z₂ kurze Stromimpulse zugeführt, wodurch Ausgangssignale in den Leseleitungspaaren X, - X,', X₂ - X₂', Xr - X ' und X^ - X^' dieser Ebene erzeugt und der X-Treiber- und -Leseschaltung 78 zugeführt werden.

Es wurde gefunden, daß die Auagangssignale von einer nicht ausgewählten Speicherzelle, d.h., von einer Speicherzelle, die nur von einer der Y- oder Z-Leltungen einen Stromimpuls empfängt, nur annähernd 1J% der Stärke eine Ausgangssignals einer ausgewählten Speicherzelle aufweisen. Da die Ausgangssignale bipolar sind, tendieren die unerwünschten Signale von nicht ausgewählten Speicherzellen in den X-Leseleitun^en dazu, sich gegenseitig auszulöschen. Zur weiteren Stürsignalreduzierung in den X-Leseseitungen wird der kurze Stromimpuls in der Z₂-Leitung gegenüber dem kurzen Stromimpuls in der Y₂-Leitung verzögert, und die Leseverstärkerschaltung 78 wird mit den X-Leitungen durch die Schalteranordnung 82 erst nach Einsatz des Impulses auf der Y₂-Leitung und während des

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Elnsatzes des Impulses auf der Zp-Leitung verbunden, so daß in die X-LeItungen im wesentlichen nur die Lesesignale induziert werden. Mit Hilfe bekannter Mittel, beispielsweise der Verwendung von Austastschaltungen oder Kompensationsleitungen, kann verhindert werden, daß die Leseverstärker _t nicht auf Signale ansprechen, die während der Schreiboperation, wenn die betreffende Schalteranordnung 80, 32, 84 oder 86 betätigt ist, in den X-Leitungen auftreten.

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Claims (1)

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   PATENTANSPRÜCHE

   1. Datenspeicheranordnung mit Magnetschiohtspeicherelementen, die eine magnetische Vorzugsachse aufweisen, und mit orthogonal verlaufenden,streifenförmigen Treib- und Leseleitungen, die den Magnetschichtspeicherelementen benachbart angeordnet sind und selektiv deren Magnetisierungszustand beeinflussen oder abfühlen, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherzellen aus zwei übereinander angeordneten, die Breitenabmessungen der Treibleitungen überragenden Mahnetschichten (14, 16) bestehen, die duroh eine dünne leitende Schicht (12) voneinander getrennt sind.

   2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden

   Magnetschichten (14, 16) den durch die Kreuzungsstellen der streifenförraigen Treibleitungen (20, 22, 24, 26) definierten Speicherelementen einer ebenen Matrix gemeinsam sind.

   j$. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Vorzugsachse beider Sohichten (14, 16)

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   parallel verläuft und mit der Richtung von wenigstens einer Treib- oder Lese-Leitung (20, 22) übereinstimmt.

   4. Anordnung nach Anspruch 1 - 3, dadurch gekennzeichnet; daß die dünne leitende Schicht (12) als gemeinsame
   Treibstromrückleitung dient.

   5. Anordnung nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß den beiden äußeren Seiten der Magnetschichten (14, 16) benachbart zwei zueinander symetrische Treiblei tungskonfigurationen (20, 24 und 22, 26) vorgesehen sind, von denen einander entsprechende, dem gleichen
   Speicherelement zugeordnete Treibleitungen mit einer gemeinsamen Treiber- bzw. Leseverstärkerstufe gekoppelt sind.

   6. Anordnung nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß einer der beiden Schichten (14) benachbart die zur Auswahl eines Speicherelementes für ein Einschreiben oder Lesen notwendigen Treibleitungen (20, 24) und der anderen Schicht (16) benachbart eine Leseleitung (60)
   angeordnet ist.

   7. Anordnung nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß einer der beiden Schichten (14 oder 16) benachbart die eine Zeilen- oder Spaltenauswahl vornehmenden

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   Troibleitungen und der anderen Sohloht benachbart die eine Spalten- oder Zeilenauswahl vornehmenden Treibleitungen und daneben mindestens einer der beiden Schichten benachbart eine Leseleitung angeordnet sind.

   8. Anordnung nach den Ansprüchen 1-7» dadurch gekennzeichnet, daß mehrere zu einer dreidimensionalen Matrix vereinigte Speicherebenen (11.1, 11.2, 11,5, 11.4) vorgesehen sind, daß den Zeilen oder Spalten aller Ebenen gemeinsame Treibleitungen (Z) sowie den Spalten oder Zeilen einer jeden Ebene zugeordnete erste Treib- und Leseleitungen (X¹) einer der beiden Magnetschichten der Ebenen benachbart angeordnet sind, daß den Zeilen oder Spalten einer jeden Ebene gemeinsame Treibleitungen (Y) sowie den Spalten oder Zeilen einer jeden Ebene zugeordnete zweite Treib- und Leseleitungen (X) der anderen Magnetschicht der Ebenen benachbart angeordnet sind, daß die ersten und zweiten Treib- und Leseleitungen (X¹, X) gleichgeordneter Spalten oder Zeilen paarweise über Schalter (80,82, 84, 86) an für alle Ebenen gemeinsame Treib- und Leseverstärkerstufen (78) angeschlossen sind und daß die Schalter (80, 82, 84 oder 86) einer Ebene von den den Zeilen oder Spalten dieser Ebene gemeinsamen Treibleitungen (Y) betätigbar sind.

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   9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Treibimpulse zum Umschalten der Magnetschichten (14, 16) im Bereich von einer Mikrosekunde oder darunter liegt.

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