今昔对比：磁芯

我们先来聊聊磁芯最常见的存储用途。事实证明，铁芯和磁性材料用途广泛，至今仍在电源和模拟电路中用作扼流圈。而这篇文章提出了一个特别的想法：用磁芯实现逻辑功能（图 1）。尽管这项技术从未进入商业领域，但在技术层面是可行的。

1. 磁芯可以实现如上述简单示例所示的逻辑。

接下来，我们看看当时磁芯的使用情况，然后进入现在存储领域的情况，磁芯最初使用的领域。许多记忆技术已经兴起又消失，新的技术不断涌现。

什么是磁芯

磁芯是磁性材料，类似于铁。磁场的方向可以用来存储一个比特的信息。用于存储的磁芯被安装成网格状，阵列中交错排列着一组导线。

用于模拟和功率目的的磁芯根据用途有多种形式。它们通常是设计中的独一无二，不像用于存储的磁芯，后者被复制成千上万。

过去：磁芯的存储应用

磁芯被用作大型机和小型计算机的主存（见图2）。核心非常小，栅极堆叠以提供更多模块内存。在大多数系统中，采用多个模块来提供远超当今固态解决方案的内存容量。

2. 磁芯被用于大型机和小型计算机中作为主存。

磁芯存储器的一大优势是非易失性。在那个年代，从卡片组、磁带机（后来还有磁盘驱动器）加载数据需要很长时间，这一特性显得尤为重要。引导程序通常会对包含操作系统（可能还有应用程序）的内存部分进行校验和计算，若校验和正确则直接使用，以防之前的操作出现问题。

我曾接触过 Burroughs 大型机（又称主机）中的磁芯存储器 ——48 位的 B5000 系列，配备 32 千字的内存。该机型支持多处理器和虚拟内存，可使用 Algol 语言编程，同时兼容 COBOL、FORTRAN 等辅助语言，操作系统为 Burroughs 主控制程序（MCP）。

当主存储器具备非易失性时，像大型内存数据库这样的软件才有了更实际的应用价值。而如今，主存储器多为易失性的动态随机存取存储器（DRAM）。

还有一种气泡存储器（例如 Intel 的 7110），同样利用了底层材料的磁性特性。该系统通过外部磁场移动被称为 “气泡” 的磁畴，其工作方式更类似于过去的移位寄存器或延迟线存储器，需要特定的刷新流程（与 DRAM 的刷新方式不同），但核心目的一致 —— 若刷新流程不完整或中断，数据将会丢失。

磁性存储如今仍应用于硬盘驱动器和磁带机，但原理与磁芯大相径庭：硬盘和磁带需要让磁性材料移动经过读写头，通过改变磁性区域的极性来存储数据。与磁芯存储器类似，数据一经写入便会保持。

现在：闪存主导非易失性存储

如今，非易失性存储有多种类型，但大容量、非易失性存储通常以NAND闪存的形式出现。高密度NAND闪存现以堆叠芯片形式实现，类似KIOXIA的32堆BiCS NAND闪存（见图3）。

3. 这是32堆BiCS NAND闪存设备的侧视图。

与数十年前的磁芯存储相比，如今数据中心的存储容量和速度已实现质的飞跃：云数据中心的存储容量以 PB（拍字节）为单位计量，传输速率可达 GB/s甚至更高。

在嵌入式领域，JEDEC UFS 4.1 标准支持 4.2 GB/s 的传输速率。KIOXIA 的 UFS 4.1 闪存器件是一款单芯片产品，专为汽车应用设计，支持最高 1 TB 的 BiCS NAND 闪存容量（见图 4）。

4. 极电的UFS 4.1闪存设备，存储最多1TB，传输速率为512 GB/s。

磁性材料仍是电子领域的核心技术之一，但已不再用于存储用途。不过，回顾技术的起源，依然是一件有趣的事情。