Magnetsüdamikmälu

Magnetsüdamikmälu on mälu tüüp, kus info on kodeeritud magnetsüdamiku magnetvälja suunalisuse kaudu: üks suund esindab seisundit 1 ja teine seisundit 0. Toroidikujulised südamikud on mäluseadmesse paigutatud regulaarse võrena ning tüüpiline magnetsüdamikmälu sisaldas sadu tuhandeid südamikke, kus iga südamiku suurus oli umbes 1 mm. 
Magnetsüdamikmälu oli üks levinumaid mälutüüpe erinevates rakendustes eelmise sajandi keskpaigast kuni seitsmekümnendateni, mil pooljuhtmälud muutusid praktilisemaks. Magnetsüdamikmälu on tüübilt püsimälu ehk mällu salvestatud info säilib ka siis, kui seade välja lülitada. Mälu lugemise käigus info kustub ehk tegemist on hävilugemisega. Tänapäeval sellist tüüpi mälu enam praktiliselt ei kasutata, peale mõne niširakenduse.

Ajalugu

Magnetsüdamikmälu töötati välja 1940ndate lõpus. Mälul ei ole ühest leiutajat. Mitmed inimesed on oma leiutisi seoses magnetsüdamikmäluga patenteerinud ning on keeruline valida neist kõige kriitilisemat. Aastal 1947 andis patendi sisse amatöörleiutaja Frederick Viehe, 1947 Harvardi füüsik An Wang, 1950 Jan Rajchmann ja 1951 Jay Forrester. Seoses segadustega patentide osas esines ka kohtuvaidlusi ning IBM maksis aastal 1964 MITle 13 miljonit USA dollarit Forresteri patendi eest, mis on seni suurim patendi eest makstud summa ajaloos.
Esimene arvuti, mis mälu kasutas, oli MIT Whirlwind aastal 1953. Esimesed mälud toodeti metallist südamikega, kuid ajapikku vahetati need välja ferriitsüdamikega. Mälu kasutati kuni 1970ndateni, kui pooljuhtmälud hakkasid seda kiiresti asendama. Kuni selle perioodini oli magnetsüdamikmälu põhiline andmete salvestamise viis arvutites. Aastal 1974 oli nii magnetsüdamikmälu kui ka pooljuhtmälu biti hind sama: umbes 1 dollari sent biti kohta. Sealt alates muutus pooljuhtmälu odavamaks.
Teatud erilistel rakendustes kasutati magnetsüdamikmälu edasi ka pärast 1970ndaid. Seda peamiselt valdkondades, kus mälu puutus kokku ekstreemsete tingimustega, kuna magnetsüdamikmälu on oluliselt vähem tundlik välistele tingimustele kui moodsamat tüüpi mälud. Näiteks avakosmoses on vajalik, et mälul oleks tavapärasest suurem vastupidavus kiirgusele.

Info salvestamine

Magnetsüdamikmälu koosneb magnetsüdamikest, millest igaüks esindab ühte bitti informatsiooni. Magnetsüdamikud on tehtud ferro- või ferrimagnetilistest materjalidest, mille puhul esineb magneetumine – välisesse magnetvälja paigutatud aine hakkab ka ise tekitama magnetvälja. Välise magnetvälja eemaldamisel jääb materjal magneetunuks ehk selle tekitatud magnetväli jääb alles. Südamikud on toroidikujulised ning selle sees tekitatud magnetväljal on kaks võimalikku suunda: päri- või vastupäeva. Infobitt ongi kodeeritud magnetvälja suuna kaudu: üks suund esindab seisundit 0 ja teine seisundit 1. Kumb suund kummale seisundile vastab, on vabalt valitav. Lisaks kahe stabiilse oleku omamisele teeb magnetsüdamiku mäluelemendina kasutamise võimalikuks ka magneetumuse küllastusväärtuse olemasolu. Kui oleme näiteks biti viinud seisundisse 1, siis üritades bitti uuesti 1 seisundisse viia, ei muutu midagi.

Kirjutamine ja lugemine

Magnetsüdamikmäludes kirjutatakse ja loetakse infot südamikke läbivate juhtmete abil. Kui juhet läbib elektrivool, tekib selle ümber magnetväli, mis mõjutab südamiku magneetumust. Seega saab elektrivoolu kasutades magnetsüdamikmällu infot kirjutada. Südamikust info lugemiseks kasutatakse lisaks veel teist juhet, mis toroidi läbib. Vastavalt Maxwelli võrranditele kui muudame elektrijuhti läbiva magnetvälja tugevust, tekitame juhis elektrivoolu. Kui soovime infot lugeda, siis üritame bitti ümber kirjutada ning jälgime, kas lugemisjuhtmes tekib elektrivool või mitte. Eeldame näiteks, et südamik on seisundis 0. Kui üritame seda ümber kirjutada seisundisse 0, siis magnetväli südamikus ei muutu ning lugemisjuhtmes voolu ei teki. Kui aga südamik oleks seisundis 1 ja me üritaksime seda ümber kirjutada seisundisse 0, siis muudaksime südamiku magnetvälja ja see indutseeriks lugemisjuhtmes voolu. Seega, kui üritame bitti ühte seisundisse ümber kirjutada ja lugemisjuhtmes voolu ei teki, siis järelikult bitt juba oli selles seisundis. Kui aga vool tekib, siis järelikult bitt oli teises seisundis. Sellist süsteemi nimetatakse hävilugemiseks – lugemise käigus info kustub. Info säilitamiseks järgneb lugemistsüklile kirjutamistsükkel, mis taastab lugemise käigus kustunud mälu oleku.

Struktuur

Magnetsüdamikmälud koosnevad sadadest tuhandetest südamikest. Bittide mugavamaks lugemiseks ja kirjutamiseks on südamikud paigutatud veergudesse ja ridadesse nagu kõrvaloleval joonisel. Igast veerust ja reast läheb läbi üks kirjutamisjuhe. Kui soovitakse adresseerida ühte spetsiifilist bitti, tuleb lasta elektrivoolu läbi südamikule vastava veeru ja rea kirjutamisjuhtmest. Elektrivool ühes juhtmes on ainult pooleldi nii tugev kui vajalik, et tekitada piisavalt tugev magnetväli, muutmaks südamiku magneetumust. Adresseeritava biti juures aga valitud rea ja veeru juhtmed ristuvad ning nende magnetväljad kombineeruvad, luues niimoodi magnetvälja, mis on piisavalt tugev südamiku magneetumiseks. Ülejäänud spetsiifilise südamikuga samas reas või veerus asuvate südamike seisundid ei muutu.

Materjalid

Magnetsüdamikmäludes kasutatakse magnetiliselt kõvasid materjale, mille hüstereesisilmus on ristkülikukujuline. Magnetiliselt kõva materjali puhul on vaja jääkmagneetumuse kustutamiseks rakendada suhteliselt tugevat välist magnetvälja. See on vajalik, et toroidi magnetväli ja seega ka mällu salvestud info liiga kergesti ei kustuks. Samas ei tohi materjal olla ka magnetiliselt liiga kõva, kuna sel juhul oleks vaja südamiku ümbermagneetimiseks ebapraktiliselt suurt voolutugevust kasutada. Vajadus, et hüstereesisilmus oleks ristkülikukujuline, tuleneb viisist, kuidas bitte adresseeritakse. Ühe biti kirjutamise ajal tunneb ainult üks spetsiifiline bitt piisavalt tugevat magnetvälja, et muuta selle magneetumust, kuid paljud teised bitid tunnevad magnetvälja, mis on sellest poole väiksem. Seega on vaja, et materjali hüstereesisilmus oleks selline, et magneetumus muutuks võimalikult vähe, kui südamik tunneb magnetvälja, mis on väiksem ümbermagneetumise kriitilisest väärtusest. See tähendab, et ristkülikukujulise hüstereesisilmuse ülemine ja alumine „külg“ peaksid olema x-teljega võimalikult paralleelsed. 
Põhiliselt toodeti südamikke ferriitmaterjalidest. Algul kasutati enamasti metallsüdamikke, kuna nende hüstereesisilmused olid enim ristkülikukujulised. Kuid aastal 1952 sünteesiti esimesed ferriitmaterjalid, mis sobisid südamikes kasutamiseks. Ferriitmaterjalide eeliseks metallide ees on suurem magneetumiskiirus, mis võimaldab mälu suuremat töökiirust, ning lihtsam ja kiirem tootmisprotsess – ferriitsüdamikke oli võimalik vormida pulbrist. Populaarsemad ferriitmaterjalid koosnesid raud(III)oksiidist segatuna magneesiumi ja mangaaniga, lisaks hakati lisama ka tsinki. Raud(III)oksiidiga segati ka mangaani ja tsingi segu ning liitiumi ja nikli segu. Viimane võimaldas valmistada termostabiilseid südamikke.

Omadused

Magnetsüdamikmälu eelised võrreldes teiste kaasaegsete mälusüsteemidega olid suurem kiirus, töökindlus ja väiksem suurus, võimaldades suuremat infotihedust. Magnetsüdamike suurus kahanes ajas, kuid tüüpiliseks suuruseks võiks olla toroid, mille väline diameeter on 1 millimeeter. Kõige väiksemad südamikud võisid olla kuni 0,4 millimeetri suurused. Südamike karakteerne magneetumisaeg on suurusjärgus mõned mikrosekundid. Lisaks sellele on magnetsüdamikmälu, erinevalt selle kaasaegsetest alternatiividest, püsimälu – seadmesse salvestatud info säilib ka toitepinge väljalülitamisel. 
Teatud rakendustes kasutati magnetsüdamikmälu edasi ka pärast pooljuhtmälude edukäiku. Magnetsüdamikmälu on vastupidavam ja vähem tundlik kui paljud alternatiivid. Näiteks ei karda mälu ioniseerivat kiirgust ega elektromagnetilisi impulsse. Seetõttu sobis mälu veel edasi kasutamiseks näiteks kosmosetehnoloogias või sõjanduses. 
Südamikmälude tootmine oli keeruline, aeganõudev ja head peenmotoorikat nõudev töö. Tihti tehti seda käsitsi, kuna pisikestest südamikest traatide läbiajamist oli keeruline automatiseerida, mis tegi mälude tootmise võrdlemisi kalliks.