זיכרון ליבה מגנטית (באנגלית: Magnetic Core Memory), נקרא גם "זיכרון ליבה מגנטי" ו"זיכרון ליבה" הוא טכנולוגיה של זיכרון גישה אקראית שפותחה סמוך לראשית תקופת המחשוב, בשנות ה-50 של המאה ה-20, והייתה טכנולוגיית הזיכרון העיקרית, כמעט היחידה, עד שהוחלפה בהדרגה, במהלך שנות ה-70, על ידי טכנולוגיות מבוססות על מוליכים למחצה.
לזיכרון הליבה יתרונות רבים על טכנולוגיות הזיכרון שקדמו לו, ואלו נעלמו למעשה זמן קצר אחר הגעתו. עובדת היותו זיכרון גישה אקראית, וצפיפותו היחסית אפשרה לבנות מחשבים מהירים ובעלי נפח זיכרון גדול בהרבה מהקודמים להם, וקשה לתאר את ההתקדמות שהובילה מהאניאק למחשבי על, או למחשב האישי, בלעדיו.
בשנים בהם אפילו הכינוי "זיכרון ליבה" נשמר לתיאור מדויק, והמונח היה פשוט "זיכרון", צמחה הצפיפות, ואתה נפח הזיכרון הכללי של מחשבים, בכמה סדרי גודל. במקביל, מחירה של סיבית זיכרון ירד מכדולר אחד של 1955, לכדי סנט של 1970, או בערך שניים וחצי סדרי גודל. מהירות הזיכרון גדלה במידה צנועה הרבה יותר, ובדרך כלל, מהירות הזיכרון לא שונה בצורה משמעותית בין תחילת שנות ה-60, לדור האחרון שיוצר.
הזיכרון בנוי ממערך של טבעות פריט, בצורת טורואידים, דרכן מושחלים תיילים מוליכי זרם חשמלי. הגדלת הצפיפות דרשה טבעות קטנות יותר ויותר, המסודרות במערכים צפופים יותר ויותר. במקביל, גם התיילים המושחלים בהן צריכים לרזות, ותהליך הייצור הופך מסובך ומורכב. למרות ניסיונות בלתי פוסקים למיכון ואוטומציה, תהליך ייצור זיכרון ליבה נשאר ידני ברובו, עובדה שהציבה מחסום בפני המשך המזעור.
המחשב הראשון שצויד בזיכרון ליבה היה ה-, שפותח במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס ב-1951. בנוסף למחשבים שימש זיכרון ליבה במתקנים נוספים, וביניהם טלפוניה, בקרה תעשייתית, מכונות חישוב, ואף מתקני ג'וקבוקס.
זיכרונות מוליכים למחצה היו ידועים, ובשימוש מוגבל מאמצע שנות ה-60, וכאשר "מחסום המחיר" נפרץ, ומחירה של סיבית זיכרון כזה השתוותה למחיר סיבית זיכרון ליבה, ימיו של זיכרון הליבה היו ספורים. בדרך כלל מציינים את שבב זיכרון של אינטל 1103, שהוצג ב-1970, בנפח של 1,024 סיביות (שווה ל-128 בתים במינוח המקובל), כ"פריצת המחסום" הזו. במהלך שנות ה-70 המשיכה ירידת מחירו של זיכרון מוליכים למחצה, במקביל לעלייה בצפיפותו, וכל המחשבים החדשים שתוכננו השתמשו בו, וזיכרון ליבה נשאר נחלתם של מחשבים קיימים, או לכל היותר ייצור מחשבים מדגמים ישנים.
כיום ניתן למצוא זיכרון ליבה במוזיאונים, כתצוגה או במחשבים ישנים, חלקם עדיין פועלים ומשמשים להדגמות.
היסטוריה.
רקע.
עיקרון ההיסטרזיס המגנטי הוא הבסיס עליו מבוססת מדיה מגנטית מכל הסוגים. השימוש הראשון במדיה מגנטית כבסיס לזיכרון מחשב היה תוף מגנטי: גליל שפניו עשויות משכבה של חומר פרומגנטי, ושורה של ראשי קריאה-כתיבה לאורכו. הגליל מסתובב במהירות, ובכל רגע נתון מגיעה "משבצת" שונה מול כל אחד מהראשים, כאשר כל משבצת כזו מייצגת סיבית אחת, שערכה 1 או 0 לפי כיוון המיגנוט.
כמה מהמחשבים הניסיוניים הראשונים, והמחשב הראשון שיוצר בייצור סדרתי, IBM 650, השתמשו בתוף מגנטי כטכנולוגיית הזיכרון, וזו הייתה טכנולוגיה מובילה עד הגעת זיכרון הליבה. טכנולוגיות זיכרון נוספות היו שפופרת ויליאמס המבוססות על עיקרון הפוספורסצנציה, וקווים משהים שמשתמשים בעקרונות אקוסטיים.
הזיכרונות הללו הם טוריים: כדי לקרוא או לכתוב לסיבית מסוימת יש להמתין עד שהסיבית המתאימה תגיע את מול הראש הקורא/כותב, או עד שתגיע למוצא הקו המשהה, דבר המגביל את מהירותם. האטי ביניהם הוא התוף המגנטי, ולעומתו סובלות הטכנולוגיות האחרות מבעיות אמינות.
זיכרון ליבה.
ב-1947 הוגש לרישום הפטנט הראשון שעושה שימוש בטבעות ליבה מגנטית לזיכרון. פטנט זה לא היה מוכר לממציאים הבאים, והשפעתו הייתה קטנה.
ב-1949 רשם אן ואג פטנט לזיכרון ליבה שהציג לראשונה "כתיבה אחרי קריאה", ופתר את בעיית הקריאה ההרסנית.
ב-1951 רשם ג'יי פורסטר מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס פטנט שהציג "זרמים מתוזמנים", ובכך פתח את הדרך למימוש זיכרון גישה אקראית בעזרת זיכרון ליבה. המחשב הראשון שהשתמש בזיכרון כזה היה Whirlwind I, ב-1951. זמן קצר אחר כך הציעה IBM זיכרון ליבה כציוד היקפי למחשב IBM 702, ולאחר מכן את IBM 704, בו זיכרון ליבה היה רכיב הזיכרון הראשי. החל מסוף שנות ה-50, דחק זיכרון הליבה את רגלי כל סוגי הזיכרון האחרים, ושלט בכיפה.
חברת IBM רכשהב-1956 את הזכויות לפטנט של ואנג בחצי מיליון דולר, ששימשו הון הייסוד של חברת "מעבדות ואנג", חברה שהגיעה בשנות ה-80 להיקף עסקי של מיליארדי דולרים. אחרי מאבק משפטי ממושך מול MIT רכשה החברה ב-1964 זכויות גם לפטנט של פורסטר, תמורת 13 מיליון דולר, הסכום הגבוה ביותר ששולם עד אז תמורת זכויות שימוש בפטנט.
ציטוט מוכר של פורסטר הוא "לקח לנו שבע שנים לשכנע את התעשייה שזיכרון ליבה הוא הפתרון הנכון, ושבע שנים נוספות לשכנע אותם שזה לא היה רעיון שלהם".
במהלך שנות ה-60, "זיכרון ליבה" ו"זיכרון" היו כמעט שמות נרדפים לזיכרון מחשב, ובמהלך העשור חלה ירידה מתמדת במחיר סיבית זיכרון, מכדולר אחד לקראת סוף העשור הקודם, עד כדי סנט יחיד בסוף העשור. במקביל, חלה עליה בצפיפות הזיכרון. צפיפות זיכרון אפייני לזיכרון ליבה היא כ-900 סיביות מידע לליטר, או כ-32,000 סיביות מידע לרגל מעוקב.
חברות רבות ייצרו זיכרונות ליבה, חלקן בתוספת שיפורים ושכלולים שונים, שנוספו במהלך הזמן, בעיקר במעגלים האלקטרוניים שמפעילים את הזיכרון. בתחילת שנות ה-70, היה נפח הייצור השנתי של חברת IBM כ-20 מיליארד ליבות, כלומר נפח ייצור שנתי של קצת פחות משלושה גיגהבייט זיכרון. חברת DEC ייצרה בגרסה משלה כ-30 מיליארד ליבות בשנה - בערך ארבעה גיגהבייט.
הגדלת הצפיפות משמעה טבעות קטנות יותר ויותר, מה שמציב אתגר בייצור. למרות ניסיונות בלתי פוסקים למיכון ואוטומציה של הייצור, נשאר זה רובו ככולו ידני, ובוצע על ידי פועלים, רובם ככולם נשים, שנעזרו במיקרוסקופים כדי להשחיל בטבעות הזעירות תיילים זעירים עוד יותר. זיכרון ליבה שתוכנן ונבנה כהלכה הוא אמין ביותר, ופועל ללא תקלות וללא טעויות שנים רבות.
זיכרונות המבוססים על מוליכים למחצה החלו להופיע באמצע שנות ה-60. זיכרונות אלו היו מהירים יותר, אך לא יכלו להתחרות במחירו של זיכרון ליבה, והשימוש בהן הוגבל ליישומים שונים, אך לא כרכיב הזיכרון העיקרי של מחשבים. חוק מור בישר את ההמשך, או הסוף מנקודת מבטו של זיכרון הליבה, וכמעט בדיוק כצפוי, הסף של סנט אחד לסיבית זיכרון נחצה על ידי זיכרונות מוליכים למחצה ב-1971, כאשר אינטל הציגה רכיב זיכרון דינמי בן 1024 סיביות, 1103 במחיר סנט לסיבית. המציאות המשיכה "לציית" לחוק מור, ותוך זמן לא רב צנח מחירה של סיבית זיכרון לעשירית, מאית, ואלפית סנט. אם בראשית שנות ה-70 זיכרון הליבה מלך בכיפה, הרי שעד סופן הפך לזן נכחד, וייצורו למעשה פסק.
תיאור.
העיקרון הפיזיקלי עליו מבוסס זיכרון הליבה היא תופעת ההיסטרזיס המגנטי. משמעות התופעה היא שניתן "למגנט" חומרים מסוימים המכונים חומרים פרומגנטיים. באופן שהם שומרים על המיגנוט, ובפרט, כיוון המיגנוט, ובמילים אחרות, "זוכרים" אותו. התקנים שמשתמשים בעיקרון זה כדי לאחסן מידע מכונים מדיה מגנטית, וכוללים סרטי הקלטה לאודיו ווידאו, ודיסק קשיח.
מספר מימושים שונים להתקני זיכרון המבוססים על ליבה מגנטית פותחו. התיאור להלן הוא של המימוש הנפוץ ביותר.
המרכיב המרכזי בזיכרון הליבה הן טבעות, שמהוות ליבות של שנאים זעירים, ומעניקות לזיכרון את שמו. הטבעות מתוארות בדרך כלל כטורואידים, אם כי בפועל הן יכולות להיות בצורה מעט שונה, בדרך כלל טבעת גלילית ("שייבה"). הטבעות עשויות מחומר פרומגנטי, בדרך כלל פריט. טבעת הממוגנטת בכיוון אחד, למשל "עם כיוון השעון", מייצגת 0, וטבעת הממוגנטת בכיוון הפוך מייצגת 1. תיילים העוברים בליבה משמשים כ"סליל הראשוני" או ה"סליל המשני" של השנאי. זרם חשמלי בתיילים שעוברים בליבה משרה בה מיגנוט עם כיוון השעון או כנגדו, לפי כיוון הזרם, והטבעת נשארת ממוגנטת בכיוון זה, וכך "זוכרת" את הערך שנכתב, 0 או 1.
הטבעות עשויות פריט . הפריט הוא חומר קרמי מבודד, שמרכיב עיקרי בו היא תחמוצת ברזל, שבזכותה הוא חומר פרומגנטי, כלומר תופעת החשל המגנטי, או היסטרזיס, חלה בו. היותו מבדד חשובה משום שבליבות שנאים מתפתחים זרמי ערבולת , שגורמים לאבדן אנרגיה והתחממות, תופעה שהשפעתה גוברת עם עליית התדירות. ליבה מחומר מבודד מונעת זרמים אלו כמעט לחלוטין, ומתאימה לשנאים שפועלים בתדרים גבוהים. הפריט אינו מחליד, משום שמרכיב הברזל שבו כבר מחומצן, בדומה לתחמוצות הברזל שמשמשות במדיה מגנטית אחרת, כמו סרטים ודיסקים מגנטיים.
תיל נוסף משמש הסליל המשני של השנאי, וכאשר כיוון המגנוט משתנה, מושרה בתיל זה זרם חשמלי. כדי לקרוא את תוכן הסיבית, נכתב אליה ערך ידוע, בדרך כלל 0. טבעת, או סיבית, שהכילה 0 לא משנה את כיוון המיגנוט שלה, ולכן לא משרה זרם בתיל הקריאה, בעוד שבטבעת שהכילה 1 משתנה הכיוון ומושרה זרם.
משמעות הדבר היא שבזיכרון ליבה, הקריאה היא פעולה הרסנית, ואחרי כל מחזור קריאה יש לבצע מחזור כתיבה, כדי להחזיר את הערך הנכון לסיבית. שיטה זו מכונה "כתיבה אחרי קריאה".
זיכרון גישה אקראית, וזרמים מתוזמנים.
כדי לממש זיכרון גישה אקראית, נעשה שימוש בשני תיילים במקום בתיל יחיד לכתיבה, באופן שרק כאשר עובר זרם חשמלי בשני התיילים באותו הזמן, נוצר שדה חזק מספיק להפוך את כיוון המיגנוט, אך זרם באחד מהם, לא משרה שדה מספיק לשם כך.