Computer mit MRAM: Bitte mehr Bits

Daten magnetisch statt elektronisch abzulegen, verspricht dauerhafte und gleichzeitig schnelle Speicher. Weil die Technik nicht vorankommt, wollen französische Forscher nun in einer Zelle gleich Platz für drei Bits schaffen.

Artikel veröffentlicht am 25. Juli 2014, 13:52 Uhr, Matthias Matting

Grafik eines MRAMs für Multi-Bit-Anwendungen (Bild: scitation.aip.org/)

Die Zweiteilung in schnelles DRAM für den Arbeitsspeicher und langsames Flash oder gar Festplatten für den Datenspeicher sind wir zwar seit langem gewöhnt. Sie verkompliziert den Aufbau moderner Computer aber unnötig. Die ersten, mit Relais oder später mit Elektronenröhren arbeitenden Rechner wie Z3 und ENIAC hatten es schon: das Universal Memory, das Universalgedächtnis. Seit rund 15 Jahren ist sich die Forschergemeinde einig, dass die magnetische Speichertechnik MRAM diese Vision umsetzen soll.

Das Potenzial dazu hat MRAM tatsächlich. MRAM-Zellen sind schnell, lassen sich oft beschreiben und behalten ihre Daten über einen langen Zeitraum. Mit MRAM könnte man die bisherige Trennung von Hauptspeicher und Datenspeicher aufgeben und ganz neue Computerkonzepte entwickeln.

Allerdings hat die Industrie wohl selbst nicht mit dem technischen Fortschritt gerechnet, der konventionelle Speichertechniken Jahr für Jahr vorantreibt. Das macht es jeder neuen Technologie schwer, von Anfang an konkurrenzfähig zu sein. Erinnert sich noch jemand an SED-Bildschirme, die Plasma und LCD den Garaus machen sollten? MRAM geht es ähnlich. Denn zunächst setzte man auf eine Version der Technik, die gegenüber Flash-Speichern gar nicht so vorteilhaft ist - dafür aber viel teurer.

Der Isolator wird nicht zum Leiter

MRAM besteht grundsätzlich aus zwei ferromagnetischen Platten, die eine dünne, nichtleitende Schicht trennt. Wenn diese Schicht dünn genug ist, können sich Elektronen zwischen den beiden Magneten hin- und herbewegen, ohne den Isolator zu durchqueren: Die Elektronen tunneln, das isolierende Material bildet damit eine Tunnelverbindung. Dabei handelt es sich um einen quantenphysikalischen Effekt. Die Elektronen bewegen sich von Magnet zu Magnet, ohne sich jemals in der Schicht dazwischen aufzuhalten. Der Isolator wird also nicht zum Leiter. Wer das ohne bildliche Vorstellung nicht akzeptieren will, kann sich ein Wahrscheinlichkeitsfeld für den Aufenthaltsort eines Elektrons ausmalen, das über die Potenzialbarriere Nichtleiter hinweg bis in den anderen Magneten reicht.

Nun ist es so, dass die Bereitschaft zum Tunneln bei den Elektronen größer ist, wenn die beiden Ferromagnete in gleicher Richtung magnetisiert sind, also Nord- und Südpol sich jeweils gegenüberliegen. Das nennt man den TMR-Effekt oder magnetischen Tunnelwiderstand. Bei gleicher Polung verringert sich der elektrische Widerstand der Kombination, bei ungleicher erhöht er sich. Jetzt braucht man nur noch die Polarisierung der einen Schicht nach Bedarf zu ändern - und schon ist der Speicher fertig. Die Magnetisierungsrichtung als Signal für 0 und 1 ist deutlich stabiler gegenüber Störungen als eine Ladungsmenge in einem Flash-Speicher oder DRAM. Sie bleibt ohne Energiezufuhr konstant. Um sie zu ändern, muss man keine Ladungen bewegen, also ist eine MRAM-Zelle auch schnell.

Ein Problem bisheriger MRAM-Designs bestand darin, dass man zum Umschalten der Feldrichtung im oberen Ferromagneten einen Stromimpuls genutzt hat, dessen Magnetfeld dann die Magnetisierung umgedreht hat. Das bringt einen vergleichsweise komplizierten Aufbau der kompletten Speicherzelle mit sich, die sich schlechter miniaturisieren lässt.