Der Rausch der Geschwindigkeit

Für das Problem der relativ gemächlichen Geschwindigkeit bei MRAMs (Magnetic Random Access Memory) will der deutsche Forscher Hans Werner Schumacher jetzt mit der so genannten \"ballistischen Methode\" eine Lösung gefunden haben. Damit sollen die einzelnen Bits gezielter als bisher angesteuert werden können. 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.

Der Hintergrund
Die heute üblichen schnellen Computerspeicherchips wie DRAM und SRAM haben einen entscheidenden Nachteil: Bei Unterbrechung der Stromversorgung gehen die darauf gespeicherten Informationen unwiderruflich verloren. Abhilfe könnte das MRAM 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.

Das Problem
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.

Die mögliche Lösung
Das in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig entwickelte neue Bitansteuerungsverfahren umgeht diese Begrenzung. Kernidee der so genannten \"ballistischen Bitansteuerung\" 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 sollen nun erstmals nichtflüchtige Speicherbauteile gebaut werden können, die in der Taktrate mit den schnellsten flüchtigen Speicherbauteilen, den SRAM, konkurrieren können.