Computer mit MRAM: Bitte mehr Bits
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(öffnet im neuen Fenster) und ENIAC(öffnet im neuen Fenster) hatten es schon: das Universal Memory, das Universalgedächtnis. Seit rund 15 Jahren ist sich die Forschergemeinde einig, dass die magnetische Speichertechnik MRAM(öffnet im neuen Fenster) 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(öffnet im neuen Fenster) . 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.
Der Spin-Torque-Effekt
Bei ST-MRAM (Spin Torque) wird die Konstruktion vereinfacht. Die obere Schicht wird direkt an einen Leiter angeschlossen. Nun nutzt man den sogenannten Spin-Torque-Effekt zum Umschalten der Magnetisierung: Elektronen, die sich als Teil eines Stromflusses durch die oberste Schicht – mit fester Magnetisierung – bewegen, erhalten dabei einen Drehimpuls (Spin), der sie beim nachfolgenden Durchqueren der unteren Schicht dazu befähigt, dessen Magnetisierungsrichtung umzudrehen. Samsung, ein Konsortium japanischer Firmen und der bisher einzige MRAM-Hersteller Everspin – eine Ausgründung der ehemaligen Motorola-Halbleitersparte Freescale – setzen auf diese Technik, die die Zellgröße von 0,16 auf 0,04 Mikrometer verkleinern und die zum Schreiben eines Bits nötige Energiemenge von 100 auf 1 Picojoule (pJ) verringern könnte (zum Vergleich: Flash benötigt 10000 pJ, DRAM 10 pJ).
Eine weitere Steigerung der Effizienz könnte eine Technik erbringen, die französische Forscher nun im Fachmagazin Applied Physics Letters beschreiben(öffnet im neuen Fenster) . Statt die Speicherzelle physisch zu schrumpfen, setzen sie darauf, einfach mehr Bits in jeder Zelle abzulegen. In dem Paper demonstrieren die Physiker die Machbarkeit von 3 Bits pro Zelle, sie haben aber auch schon 4 Bits umgesetzt. Ihr Vorschlag basiert auf einer MRAM-Variante, die sich Thermally Assisted MRAM (TA-MRAM) nennt.
TA-MRAM ist temperaturanfällig
Wie der Name schon verrät, bedient man sich hierbei der Wärme, die man bei jeder anderen Chip-Technologie wenn möglich vermeidet. Magnetische Materialien ändern nämlich ihre Eigenschaften mit zunehmender Temperatur. Erwärmt man sie, verändern sie ihren Zustand leichter – es sind also schwächere Felder nötig. Gleichzeitig kann man das Material so wählen, dass es im kalten Zustand noch weniger empfindlich für Störungen ist. TA-MRAM ist jedoch bei besonders kleinen Strukturen nicht vorteilhaft.
Deshalb ist der Vorschlag der Franzosen wichtig: Sie schreiben und lesen die Magnetisierung in mehreren Richtungen, also etwa schräg nach links oben, senkrecht und schräg nach rechts. Führt man nun ein rotierendes Magnetfeld als Sensor an diesen Magnetisierungen vorbei, ergeben sich drei Maxima und Minima des induzierten Stroms statt nur jeweils eins. Jedem dieser Extremwerte lässt sich dann eine 0 oder eine 1 zuordnen.
Von der praktischen Anwendung ist diese Variante des TA-MRAM derzeit noch ein Stück entfernt. Die Forscher wollen nun einen kompletten Speicherchip mit der Technik entwerfen. Zugleich arbeiten sie daran, bis zu acht Bit in einer Zelle speichern zu können.