Manyetik çekirdek bellek

Manyetik çekirdek bellek (Magnetic Core Memory) iyi derecede Ferromanyetik maddelerin ortamdaki manyetik alan kuvvet çizgilerinin yönelimine uygun olarak mıknatıslanmaları ve bu mıknatıslanmalarını koruyabilmelerinden yararlanarak elektronik hafızalamada kullanılan ilk yazılabilir-okunabilir RAM belleklerdir. 1950'li yıllarda geliştirilmişlerdir.

Okuma veya yazma işlemi yapılmadığında, çekirdekler güç kapatılsa bile en son sahip oldukları değeri korurlar. Bu nedenle, bunlar kalıcı bellek türüdür. Kablolama şekline bağlı olarak, çekirdek bellek son derece güvenilir olabilir. Örneğin, NASA'nın başarılı Ay inişleri için hayati önem taşıyan görev açısından kritik Apollo Rehberlik Bilgisayarında salt okunur çekirdek halat bellek kullanılmıştır.^[1]

Manyetik çekirdekli bellek, yarı-iletken bellekle değiştirildikten sonra bile, ana bellek genellikle "çekirdek" olarak adlandırılmaya devam etti. Bir bilgisayarın ana belleğinin tüm içeriğinin, sistem programcısı tarafından daha sonra incelenmek üzere bir disk dosyasına kopyalanması işlemine hâlâ "çekirdek dökümü" denir. Hesaplamalar için kullanılan çekirdek bellek pahalı ve kıt bir kaynak olduğunda, veri bloklarını "çekirdek dışına" daha büyük, daha yavaş depolama birimlerine aktarmak için teknolojiler geliştirildi. Çalışma kümesi boyutu ana belleği aşan algoritmalar, çekirdek dışı algoritmalar olarak adlandırılırken, çekirdek içi algoritmalar ana belleğe sığdı.

Elektronik tasarımı ve çalışma prensibi

Çekirdek bellek, sert manyetik bir malzemeden (genellikle yarı sert ferrit) yapılmış, "toroid" adı verilen halkalar kullanır. Her çekirdek bir bit bilgi depolar. Her çekirdekten iki veya daha fazla tel geçer ve bir X-Y çekirdek dizisi oluşturur. Tellere belirli bir eşik değerinin üzerinde bir elektrik akımı uygulandığında, çekirdek mıknatıslanır. Değer atanacak veya yazılacak çekirdek, bir X ve bir Y teline gerekli akımın yarısı kadar güç verilerek seçilir, böylece yalnızca kesişim noktasındaki tek çekirdeğe yazılır. Akımların yönüne bağlı olarak, çekirdek saat yönünde veya saat yönünün tersine bir manyetik alan algılar ve 1 veya 0 değerini depolar.

Bu yazma işlemi, yakındaki tellere elektrik indüklenmesine de neden olur. X-Y tellerine uygulanan yeni darbe, o çekirdeğe uygulanan son darbeyle aynıysa, mevcut alan hiçbir şey yapmaz ve indüksiyon oluşmaz. Yeni darbe zıt yöndeyse, bir darbe üretilir. Bu normalde ayrı bir "algılama" telinde algılanır ve sistemin o çekirdeğin 1 mi yoksa 0 mı tuttuğunu bilmesini sağlar. Bu okuma işlemi çekirdeğin yazılmasını gerektirdiğinden, bu işlem yıkıcı okuma olarak bilinir ve işlem çekirdeğin değerini tersine çevirdiyse, çekirdeği orijinal değerine sıfırlamak için ek devre gerektirir.

Çalışma prensibi

"Çekirdek" terimi, sargıları manyetik bir çekirdeği çevreleyen geleneksel transformatörlerden gelir. Çekirdek bellekte, teller herhangi bir çekirdekten yalnızca bir kez geçer; bunlar tek sargılı cihazlardır. Bellek çekirdekleri için kullanılan malzemelerin özellikleri, güç transformatörlerinde kullanılanlardan önemli ölçüde farklıdır. Çekirdek bellek için manyetik malzeme, yüksek derecede manyetik kalıcılık, yüksek oranda mıknatıslanmış kalabilme yeteneği ve düşük koersivite gerektirir, böylece mıknatıslanma yönünü değiştirmek için daha az enerji gerekir. Çekirdek, bir biti kodlayan iki durum alabilir. Çekirdek bellek içeriği, bellek sistemi kapatıldığında bile korunur (kalıcı bellek). Ancak, çekirdek okunduğunda, "sıfır" değerine sıfırlanır. Bilgisayar bellek sistemindeki devreler daha sonra bilgiyi anında yeniden yazma döngüsünde geri yükler.

1980'lerin ortalarına kadar RAM'lerin temel çalışma mekanizması Manyetik Çekirdek Bellek mekanizmasıydı.Daha sonra mikroçiplerin üretimiyle kullanımdan düşmüştür.Mikroçipler de mekanizmasal olarak manyetik çekirdek bellek mekanizmasının mikro boyutlara indirilmiş halidir.Kısacası farklı formlarda olsa da kullanımı sürmektedir.

Bilgisayarın ana belleği için kullanılan en yaygın çekirdek bellek biçimi olan X/Y hatlı eş akımlı bellek, bir ızgara yapısında (düzlemler adı verilen katmanlardan oluşan bir "yığın" olarak düzenlenmiş) bir arada tutulan çok sayıda küçük toroidal ferrimanyetik seramik ferritten (çekirdek) oluşur ve çekirdeklerin merkezlerindeki deliklerden teller geçirilir. İlk sistemlerde dört tel vardı: X, Y, Algılama ve Engelleme, ancak daha sonraki çekirdekler son iki teli tek bir Algılama/Engelleme hattında birleştirdi.^[2] Her toroidal çekirdek bir bit (0 veya 1) saklıyordu. Her düzlemdeki bir bite bir döngüde erişilebiliyordu, bu nedenle kelime dizisindeki her makine kelimesi bir "yığın" düzleme yayılıyordu. Her düzlem, bir kelimenin bir bitini paralel olarak işleyerek, kelimenin tamamının bir döngüde okunmasına veya yazılmasına olanak tanıyordu.

Çekirdek, toroidleri yapmak için kullanılan ferrit malzemenin kare histerezis döngüsü özelliklerine dayanır. Bir telden geçen elektrik akımı, bir manyetik alan oluşturur. Sadece belirli bir yoğunluktan ("seçme") daha büyük bir manyetik alan, çekirdeğin manyetik kutupluluğunu değiştirmesine neden olabilir. Bir bellek konumunu seçmek için, X ve Y çizgilerinden biri, bu değişikliğe neden olmak için gereken akımın yarısı ("yarım seçme") ile sürülür. Sadece X ve Y çizgilerinin kesiştiği yerde (mantıksal birleşim) oluşan birleşik manyetik alan, durumu değiştirmek için yeterlidir; diğer çekirdekler, gereken alanın sadece yarısını ("yarım seçme") veya hiçbirini görmez. Akımı tellerden belirli bir yönde geçirerek, ortaya çıkan indüklenen alan, seçilen çekirdeğin manyetik akısının bir yönde veya diğer yönde (saat yönünde veya saat yönünün tersine) dolaşmasını sağlar. Bir yön 1 olarak saklanırken diğeri 0 olarak saklanır.

Çekirdeğin toroidal şekli tercih edilir çünkü manyetik yol kapalıdır, manyetik kutuplar yoktur ve dolayısıyla çok az dış akı vardır. Bu, çekirdeklerin manyetik alanları etkileşime girmeden birbirine yakın bir şekilde paketlenmesine olanak tanır. İlk çekirdek dizilerinde kullanılan alternatif 45 derecelik konumlandırma, diyagonal algılama telleri nedeniyle gerekliydi. Bu diyagonal tellerin ortadan kaldırılmasıyla daha sıkı paketleme mümkün oldu.^[3]

Veri girme ve veriyi okuma

Ferromanyetik maddeler ortamdaki manyetik alanın yönelimini kaydeder ve manyetik alan kaybolsa da saklar. Kısacası ortamın manyetik alanına göre mıknatıslanır ve bu mıknatıslanmayı sürdürür. Manyetik çekirdek bellek denen elektromekanizma, "ferromanyetik çekirdek" denen ferromanyetik maddeden yapılmış makaralardan oluşmuştur. Her bir makara x, y koordinatlarında belli bir konuma sırasıyla yerleştirilmiştir. İstenilen koordinata akım gönderilince istenilen şekilde makaralar mıknatıslanmış olur. Binlerce makara bulunduğu x, y koordinatına uygun olarak mıknatıslık taşıyorsa 1, mıknatıslık taşımıyorsa 0 olarak manyetik sensörlerce algılanırlar. Her bir ferromanyetik makarayı tek tek algılayan manyetik maddeden yapılmış sensörler okuyucuya o koordinatta örneğin (123,345) koordinatında 1 veya 0 olduğu bilgisini verir. Veri böylece girilir ve sonra okunur. Programlama ve yazılım da bu prensibe göre yapılır. Bu tür herhangi bir okumadan sonra, bit 0 içerir. Bu, çekirdek bellek erişiminin neden yıkıcı okuma olarak adlandırıldığını gösterir: Bir çekirdeğin içeriğini okuyan herhangi bir işlem, bu içeriği siler ve bunlar hemen yeniden oluşturulmalıdır.

Çekirdek belleğe bir bit yazmak için, devre bir okuma işlemi yapıldığını ve bitin 0 durumunda olduğunu varsayar.

1 biti yazmak için, seçilen X ve Y hatları, okuma işleminde olduğu gibi ters yönde akımla sürülür. Okuma işleminde olduğu gibi, X ve Y hatlarının kesiştiği noktadaki çekirdek manyetik kutupluluğunu değiştirir.
0 biti yazmak için iki yöntem uygulanabilir.

Birincisi, orijinal yönde akımla okuma işlemiyle aynıdır. İkincisinin mantığı terstir. Başka bir deyişle, 0 biti yazmak, 1 bitinin yazılmasını engellemektir. Aynı miktarda akım, Engelleme hattından da gönderilir. Bu, ilgili çekirdekten geçen net akımı, seçme akımının yarısına düşürerek kutupluluk değişimini engeller. Çekirdek belleğin bir bölümünü okumak için, devre, o çekirdekte kesişen seçili X ve Y hatlarını sürerek, biti 0 durumuna atanan polariteye çevirmeye çalışır.

Bit zaten 0 ise, çekirdeğin fiziksel durumu etkilenmez.
Bit daha önce 1 ise, çekirdek manyetik polaritesini değiştirir. Bu değişiklik, bir gecikmeden sonra, Algılama hattına bir voltaj darbesi gönderir.

Bu tür bir darbenin algılanması, bitin en son 1 içerdiği anlamına gelir. Darbenin yokluğu, bitin 0 içerdiği anlamına gelir. Voltaj darbesinin algılanmasındaki gecikmeye çekirdek belleğin erişim süresi denir.

Teknolojide Kullanımı

İlk defa 1950'lerde yazılabilir okunabilir RAM bellekler bu mantıkla çalışıyordu. Bu dahice ferroelektromanyetik mekanizma günümüzdeki RAM'lerin çalışma prensibinin temelini oluşturmaktadır. Bu Manyetik Çekirdek Bellek devreleri ilk defa 1949 yılında Harvard Üniversitesi'nde asistanlık yapmakta olan An Wang isimli Şangaylı fizikçi tarafından icat edilmiştir.^[4]

Kaynakça

↑ "Computer for Apollo". MIT Science Reporter. 1965. WGBH. 10 Şubat 2026 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 3 Şubat 2026.
↑ Creighton D. Barnes, et al., Magnetic core storage device having a single winding for both the sensing and inhibit function, U.S. patent 3,329,940, granted 4 July 1967.
↑ Victor L. Sell and Syed Alvi, High Density Core Memory Matrix, U.S. patent 3,711,839, granted Jan. 16, 1973.
↑ "Wang Interview, An Wang's Early Work in Core Memories". Datamation. US: Technical Publishing Company: 161–163. March 1976.

[1] "Computer for Apollo". MIT Science Reporter. 1965. WGBH. 10 Şubat 2026 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 3 Şubat 2026.

[2] Creighton D. Barnes, et al., Magnetic core storage device having a single winding for both the sensing and inhibit function, U.S. patent 3,329,940, granted 4 July 1967.

[3] Victor L. Sell and Syed Alvi, High Density Core Memory Matrix, U.S. patent 3,711,839, granted Jan. 16, 1973.

[4] "Wang Interview, An Wang's Early Work in Core Memories". Datamation. US: Technical Publishing Company: 161–163. March 1976.

[1]

[2]

[3]

[4]