Temporekord bei der Speicherung von Daten auf nichtflüchtigen Chips
Magnetische Turbo-Speicherchips

Nichtflüchtige Speicher sind in der Regel langsam - zu langsam für den Einsatz als Arbeitsspeicher in Computern. Eine neue Ansteuerungstechnologie könnte das ändern.

hiz DÜSELDORF. Bei der Physikalisch Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig ist ein Verfahren entwickelt worden, mit dem magnetische Speicherchips beschleunigt werden können. Die heute üblichen schnellen Computerspeicherchips wie DRAM und SRAM (Dynamic bzw. Static Random Access Memory) haben den entscheidenden Nachteil, dass bei Unterbrechung der Stromversorgung die gespeicherten Informationen unwiderruflich verloren gehen. Speicherchips die auch bei Stromausfall ihre Daten nicht verlieren sind dagegen keine Utopie, sie existieren bereits in den Entwicklungslabors. Ihr Name: MRAM (Magnetic Random Access Memory).

In einem MRAM wird die digitale Information nicht wie bisher üblich in Form elektrischer Ladung gespeichert, sondern über die magnetische Ausrichtung von Speicherzellen, genannt Magnetspins. Nur in der Geschwindigkeit hinkten die neuen Chips bisher den herkömmlichen Technologien hinterher. Die Zeit für die Programmierung eines magnetischen Bits beträgt etwa 10 ns. Wer dies beschleunigen will, stößt an Grenzen, die mit den grundlegenden physikalischen Eigenschaften der magnetischen Speicherzellen zu tun haben. Während des Programmiervorgangs wird nicht nur die gewünschte Speicherzelle magnetisch angeregt, sondern auch eine Vielzahl anderer Zellen. Diese Anregungen sind nur schwach gedämpft, das Abklingen kann bis zu etwa 10 ns dauern und währenddessen kann keine weitere Zelle programmiert werden. So ist die maximale Taktrate bisher auf etwa 100 MHz begrenzt.

Ein Problem, für das Hans Werner Schumacher von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt jetzt eine Lösung gefunden hat. Mit Hilfe seiner so genannten "ballistischen Methode" werden die einzelnen Bits gezielter als bisher angesteuert. Dadurch verkürzen sich die Zugriffszeiten auf weniger als 500 Pico Sekunden. Theoretisch kann dadurch das MRAM zukünftig in der Taktrate mit den schnellsten flüchtigen Speicherbauteilen, den SRAM, konkurrieren.

Kernidee der "ballistischen Bitansteuerung" ist es, die zur Programmierung dienenden Magnetpulse so zu wählen, dass die anderen Zellen im MRAM so gut wie gar nicht magnetisch angeregt werden. Der Puls sorgt dafür, dass die Magnetisierung einer zu schaltenden Zelle eine halbe Präzessionsdrehung von 180° vollführt, während eine Zelle, deren Speicherzustand unverändert bleiben soll, eine volle Präzessionsdrehung von 360° beschreibt. In beiden Fällen ist die Magnetisierung nach Abklingen des Magnetpulses im Gleichgewichtszustand und es treten keine magnetischen Anregungen mehr auf.

Diese optimierte Bitansteuerung funktioniert mit ultrakurzen Schaltpulsen von unter 500 Pico Sekunden Dauer. Somit liegen die maximalen Taktraten des MRAM über 2 GHz. Zusätzlich ist es möglich, mehrere Bits gleichzeitig zu programmieren, wodurch die effektive Schreibrate pro nochmals gesteigert werden könnte.

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