Was lange währt

Das Motorola-Spinoff Freescale Semiconductor hat in diesem Monat einen Speicherchip vorgestellt, der magnetische Zustände dazu verwendet, Daten zu speichern. Der neue Baustein soll mit bestehenden Technologien wie Flash und Standard-RAM konkurrieren können - und diese auf Dauer überholen. Die Technik soll sich für Servern, PCs und Laptops, aber auch für Handys oder Musikspieler eignen – und auch noch Strom sparen.

Bei dem MRAM-genannten Speicherchip kommt der so genannte magnetische Remanenzeffekt zum Einsatz. An der Technologie wird bereits seit Jahrzehnten geforscht – doch erst jetzt sei die Idee technisch und wirtschaftlich überhaupt umsetzbar, wie Doug Burger, Professor für Elektroingenieurwesen und Informatik an der University of Texas, meint: "Technologie-Ankündigungen haben oftmals nur mit einem kleinen Schritt zu tun, den eine Firma tut. Bei Motorola ist das diesmal anders." Burger glaubt gar, dass die MRAM-Technik das Potenzial hat, die gesamte Elektronikgerätelandschaft zu verändern.

Das Spannende an MRAM ist die Art, wie Daten abgelegt werden. Flash-Speicher und RAM verwenden dazu elektrische Ladung. Bei MRAM ist es hingegen die magnetische Orientierung von Elektronen, die die Bits repräsentieren.

Ein MRAM-Chip besteht aus Hunderttausenden einzelner Speicherzellen, die jeweils zwei magnetische Elektroden enthalten: Eine davon besitzt ein unveränderliches Magnetfeld, die andere kann ihre magnetische Polarisation verändern. Zwischen den gekreuzten Elektroden befindet sich eine sehr dünne magnetische Schicht. In dieser dünnen Schicht hat die Magnetisierungsrichtung der oberen und unteren Elektrode einen messbaren Einfluss auf den elektrischen Widerstand. Letzterer repräsentiert die binäre Zahl, die die Zelle speichert - also entweder 1 oder 0.

Saied Tehrani, MRAM-Direktor bei Freescale, betont, dass die neue Technik eine Kombination aus Eigenschaften besitze, die man von anderen Halbleitermaterialien nicht kenne. MRAM-Chips könnten Daten ohne Stromversorgung bei sich behalten und ließen sich beliebig oft beschreiben und auslesen. Zudem sei der Zugriffsvorgang sehr schnell und benötige nur Nanosekunden.

MRAM braucht deshalb keinen Strom, weil die einmal vorgenommene magnetische Ausrichtung bestehen bleibt, ohne dass Elektrizität benötigt würde. Diese Nichtvolatilität ließe sich beispielsweise gut als RAM-Ersatz nutzen, wie man ihn heute in Computern und anderen Geräten findet. Schaltet man einen PC oder ein Handy aus, bleiben die Elektronen in den RAM-Chips nicht an ihren Platz – die Informationen werden gelöscht. Aus diesem Grund werden permanent abzulegende Daten auf nichtvolatile Medien wie magnetische Festplatten oder Flash-Speicher geschrieben.

Auch die Flash-Technik gilt eigentlich als potenzielle RAM- Alternative, weil sie ähnlich wie MRAM die Startzeiten eines Rechners verkürzen könnte. Das Problem ist allerdings, dass sich Flash-Medien nicht ewig nutzen lassen. Sie sind deshalb nichtvolatil, weil ihre Speicherzellen starke innere Barrieren besitzen, damit ihre Ladung nicht "ausläuft". Um diese Barrieren zum Lesen und Schreiben zu überwinden, wird ein großes elektrisches Feld benötigt. Allerdings, erklärt Bill Gallagher, Forscher am IBM Research Center, fügen diese starken Felder dem Flash-Material auf Dauer Schäden zu. So rechnet man bei Flash-Speichern mit maximalen Schreib-Lese-Zyklen von ungefähr 100.000 . Gleichzeitig ist das Medium relativ langsam, benötigt Hunderte Nanosekunden beim Schreibvorgang. University of Texas-Mann Burger glaubt daher, dass sich Flash auf Dauer nicht für PCs eigne, in denen die üblichen Schreibvorgänge abliefen.

Die Eigenschaften von MRAM kombinieren hingegen die Vorteile von Flash-Speicher und RAM. Ähnlich wie RAM ist MRAM nahezu unzerstörbar, was es für "Instant-On"-Computer und andere Elektronik interessant macht. Gleichzeitig wird keine ständige Stromversorgung benötigt, was die Verwendung in Kleingeräten mit relativ schwachen Batterien nahelegt.

Es dürfte allerdings noch ein paar Jahre dauern, bis MRAM tatsächlich Flash oder RAM ersetzen kann. Heute speichern Freescales MRAM-Chips einzeln nur je vier Megabit an Informationen, während Flash- Speicherchips bereits mehrere Gigabit fassen.

Die Erhöhung des Speicherplatzes könnte bei MRAM jedoch zu Problemen führen. Aktuell ist noch unklar, ob die bisherigen MRAM-Materialien und Designs sich auch für zukünftige Chips mit kleineren Strukturen eignen, die dann mehr Daten fassen könnten. Das Magnetfeld, das in den MRAM-Chips Informationen ablegt, hat eine ganz bestimmte Form. Deshalb weiß man noch nicht, wie man es anpassen muss, wenn sich die Struktur der Chips verändert.

IBM-Mann Gallagher glaubt jedoch, dass sich mit der Verwendung aktueller Materialien eine bis zu hundertfache Erhöhung der Speicherdichte ergeben könne: "Und wenn weitergeforscht wird, werden wir irgendwann ein MRAM-Gerät haben, das sich mit Festplatten messen kann."

Übersetzung: Ben Schwan. (wst)