Temporekord bei magnetischen Speicherchips

Der Computerspeicherchip der kommenden Jahre könnte MRAM heißen. Anders als die heute üblichen Chiptypen „merkt“ sich ein MRAM die gespeicherten Informationen, auch wenn zwischenzeitlich der Strom abgestellt wird, und hat darüber hinaus noch weitere Vorteile. Nur in der Geschwindigkeit hinkten die neuen Chips bisher den alten hinterher. Ein Problem, für das Hans Werner Schumacher von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig jetzt eine Lösung gefunden hat. Mit Hilfe seiner „ballistischen Methode“ werden die einzelnen Bits gezielter als bisher angesteuert. So können die Zugriffszeiten auf weniger als 500 ps gesenkten werden und MRAM zukünftig in der Taktrate mit den schnellsten flüchtigen Speicherbauteilen, den SRAM, konkurrieren.

Die heute üblichen schnellen Computerspeicherchips wie DRAM und SRAM (Dynamic bzw. Static Random Access Memory) haben einen entscheidenden Nachteil: Bei Unterbrechung der Stromversorgung gehen die darauf gespeicherten Informationen unwiderruflich verloren. Abhilfe könnte das MRAM (Magnetic Random Access Memory) schaffen. In einem MRAM wird die digitale Information nicht in Form elektrischer Ladung gespeichert, sondern über die magnetische Ausrichtung von Speicherzellen (Magnetspins). MRAM sind sehr universelle Speicherchips, denn sie erlauben neben der nichtflüchtigen Informationsspeicherung auch einen schnellen Zugriff, eine hohe Integrationsdichte sowie eine unbeschränkte Anzahl von Schreib- und Lesezyklen.

Doch die aktuellen MRAM-Prototypen sind noch nicht schnell genug, um die besten Konkurrenten zu überflügeln. 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 des MRAM-Chips programmiert werden. So ist die maximale Taktrate von MRAM bisher auf etwa 100 MHz begrenzt [4].

Das in der PTB Braunschweig entwickelte neue Bitansteuerungsverfahren umgeht diese Begrenzung [1-3]. Kernidee der so genannten „ballistischen Bitansteuerung“ (engl. „ballistic bit addressing“) ist es, die zur Programmierung dienenden Magnetpulse so geschickt 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 (180°) vollführt, während eine Zelle, deren Speicherzustand unverändert bleiben soll, eine volle Präzessionsdrehung (360°) beschreibt. In beiden Fällen ist die Magnetisierung nach Abklingen des Magnetpulses im Gleichgewichtszustand und es treten keine magnetischen Anregungen mehr auf.

Diese optimale Bitansteuerung funktioniert mit ultrakurzen Schaltpulsen von unter 500 ps 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 Bit nochmals um über eine Größenordnung gesteigert werden könnte. Damit können nun erstmals nichtflüchtige Speicherbauteile gebaut werden, die in der Taktrate mit den schnellsten flüchtigen Speicherbauteilen, den SRAM, konkurrieren können.
(es)

[1] H. W. Schumacher: European Patent Application
Application No.: EP05000667, Filing Date: 14/01/2005.
[2] H. W. Schumacher: „Ballistic bit addressing in a magnetic memory cell array“
Applied Physics Letters 87, 042504 (2005).
[3] H. W. Schumacher: „Ultra fast bit addressing in a magnetic memory matrix“
Journal of Applied Physics, issue of August 1st 2005.
[4] H. W. Schumacher, C. Chappert, R. C. Sousa, P. P. Freitas:
„Effective bit addressing times for precessional switching of magnetic memory cells“
Journal of Applied Physics 97, 123907 (2005).

Kontakt:
Dr. Hans Werner Schumacher
PTB-Arbeitsgruppe 2.53 „Niedrigdimensionale Elektronensysteme“
Bundesallee 100
38116 Braunschweig
Telefon: (05 31) 592 – 24 14
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