Speichermedien 05.01.2007, 19:25 Uhr

Speicherchips nutzen Spin-Effekt  

Die MRAMs sind schnell und halten Daten auch ohne Stromversorgung. Damit könnten die nichtflüchtigen Speicher eines Tages sogar die Festplatten ersetzen und Computer ließen sich quasi „always on“ betreiben.

Der Wunsch jedes Computernutzers, die Arbeit am PC ohne minutenlanges Hochfahren zu starten, könnte schon bald zur Realität werden. Durch die Verwendung von MRAM-Speicherbausteinen (Magnetoresistive Random Access Memory) würden die Informationen auch ohne Spannung nach dem Ausschalten erhalten bleiben, vergleichbar mit der Festplatte eines Rechners. Damit ließen sich Computer künftig wie eine Lampe an- und ausschalten.

Die heute noch hauptsächlich verwendeten relativ teuren DRAM-Chips (Dynamic Random Access Memory) haben einen wesentlichen Nachteil: Sie müssen ständig durch Strom aufgefrischt werden – Millionen kleiner Kondensatoren brauchen alle 60 ms einen Impuls.

Damit die nötigen Betriebsprogramme von der Festplatte in den Arbeitsspeicher gelangen, muss der Computer jedes Mal hochgefahren werden – das dauert. Sollte die Verbindung zur Steckdose einmal unterbrochen sein, so sind alle Daten im Arbeitsspeicher unwiederbringlich verloren.

„Die neuen magnetischen Speicher werden in wenigen Jahren in vielen Elektronikprodukten des Alltags zu finden sein“, glaubt Prof. Wulf Wulfhekel vom Physikalischen Institut der Universität Karlsruhe, von Notebooks über MP3-Playern, Handys bis hin zu Digitalkameras.

Freescale Semiconductor fertigt seit kurzem den ersten kommerziell erhältlichen MRAM-Baustein in Serienstückzahlen. 4 Mbit hat der neue Speicher mit der Bezeichnung MR2A16A – zwar noch nicht viel, doch ein guter Anfang. Mit Zykluszeiten von 35 ns basiert er auf über 100 MRAM-spezifischen Patenten und wird auf Freescales 200-mm-Fertigungslinie produziert.

„Mit der kommerziellen Einführung des MRAMs bringt Freescale als erstes Unternehmen eine Technologie auf den Markt, die erstaunliche Möglichkeiten für Computer eröffnet und einschneidende Wirkung zeigen wird“, erklärt Bob Merritt vom Marktforschungsunternehmen Semico Research. Ein Problem in der Produktion war zuletzt noch die hauchdünne Isolierschicht zwischen den Magneten, da sie nur eine Dicke von einzelnen Atomen hat.

In Kooperation mit NEC tüftelt auch Toshiba an der Kommerzialisierung des neuen Speicherchips: Die Rede ist von 16-Mbit-MRAMs in 0,18-µ-Technologie in einem 130-nm-Prozess. Schon 2004 hatte Infineon zusammen mit IBM den ersten 16-Mbit-MRAM-Baustein als Prototyp vorgestellt.

„Die MRAM-Technologie hat gute Chancen, eine der wichtigsten Halbleitertechnologien der Zukunft zu werden“, zeigt man sich beim deutschen Hersteller von CD- und DVD-Produktionsanlagen Singulus überzeugt. Bei Laptops etwa, deren Akkus tagelang ohne Nachladen Strom liefern, blieben die Informationen auf MRAM-Speichern auch nach dem Ausschalten erhalten. Man könnte auf bloßen Mausklick jederzeit wieder genau an der Stelle beginnen, wo man zuletzt mit der Arbeit aufgehört hat.

Experten erwarten 2010 ein jährliches Marktvolumen für MRAMs von 30 Mrd. $ bis 50 Mrd. $. Im Moment sei der MRAM-Markt aber noch eher ein Nischenmarkt, so Singulus-Sprecher Bernhard Krause.

Technisch wird die digitale Information nicht mehr wie bisher in Form elektrischer Ladung gespeichert, sondern über die magnetische Ausrichtung von Speicherzellen (Magnetspins). Diese so genannte Spintronik macht sich zunutze, dass Elektronen außer ihrer elektrischen Ladung einen Eigendrehimpuls, den so genannten Spin, besitzen, der sie zu winzigen Magneten macht.

Die Bausteine sind so nichtflüchtig, schnell, stromsparend und das bei einer hohen Integrationsdichte. Im Gegensatz zu etablierten nichtflüchtigen Speichertechnologien, wie Flash, können MRAMs wie herkömmliche DRAMs praktisch unendlich oft beschrieben werden.

So könnten sie übliche DRAM-, SRAM-, Flash- oder EEPROM-Speicher im Computer ersetzen. Für strahlungsresistente Anwendungen, zum Beispiel im Kernkraftwerk, seien die MRAMs sogar prädestiniert, weiß Wulfhekel.

Im Vergleich zu den bisher in USB-Sticks, Pocket-Computern oder Digitalkameras verwendeten nichtflüchtigen Flash-Speichern ist ein MRAM-Chip zwar rund 1000-mal schneller, aber mit derzeit 35 ns immer noch zu langsam für gebräuchliche Arbeitsspeicher. Dies begrenzt die maximale Taktrate von MRAMs bisher auf etwa 100 MHz.

Gelingt es, MRAMs als Single-Chip mit der Geschwindigkeit der schnellsten flüchtigen Speicher, den SRAMs, und der Nichtflüchtigkeit von Flashbausteinen zu realisieren, gäbe es eine sinnvolle Alternative zu SRAMs mit Batteriepufferung.

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) arbeitet daran, die einzelnen Bits gezielter als bisher anzusteuern. Dadurch könnten die Zugriffszeiten auf unter 500 ps gesenkt werden und die MRAMs künftig mit einer Takt- rate von über 2 GHz sogar mit den schnellen SRAMs konkurrieren. EDGAR LANGE

Ein Beitrag von:

  • Edgar Lange

    Freier Fachjournalist in Düsseldorf. Schreibt vor allem über IT-Themen.

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