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Ultraschnelle Magnetspeicher

Ein in der PTB entwickeltes neues Bitansteuerungsverfahren ermöglicht zukünftig nichtflüchtige magnetische Speicherbauteile (MRAM) mit Zugriffszeiten von unter 500 ps. Damit wäre ein nichtflüchtiger Speicherchip erstmals genauso schnell wie die schnellsten flüchtigen Speicherbauteile.

4 MBit MRAM Chip der Firma freescale (vormals Motorola)

Heute übliche schnelle Speicherchips wie DRAM und SRAM haben einen entscheidenden Nachteil: bei Unterbrechung der Stromversorgung gehen die gespeicherten Informationen verloren. Abhilfe verspricht das MRAM – das Magnetic Random Access Memory. Es speichert die digitale Information nicht in Form elektrischer Ladung, sondern als Magnetisierungsrichtung in magnetischen Zellen. Alle großen Chipproduzenten sind an der Entwicklung dieser neuartigen Speicherchips beteiligt. Die Markteinführung steht unmittelbar bevor.

Allerdings dauert in aktuellen MRAM die Programmierung eines magnetischen Bits etwa 10 ns. Ein deutlich schnellerer Betrieb wird dabei durch eine physikalische Eigenschaft der magnetischen Speicherzellen verhindert: Bei der Programmierung einer bestimmten Zelle im MRAM Chip entstehen auch in einer Vielzahl anderer Zellen magnetische Anregungen. Diese Anregungen sind nur schwach gedämpft und benötigen zum Abklingen bis zu 10 ns. In dieser Zeit kann keine weitere Zelle programmiert werden, so dass die maximale Taktrate des MRAM auf etwa 100 MHz begrenzt ist.

Mit Hilfe eines in der PTB entwickelten und zum Patent angemeldeten Bitansteuerungsverfahrens kann diese Begrenzung der MRAM-Taktrate nun umgangen werden. Bei der so genannten „Ballistischen Bitansteuerung“ vermeidet man durch eine geschickte Wahl der zur Programmierung verwendeten Magnetpulse die magnetischen Anregungen in allen Zellen des MRAM praktisch vollständig. Die Pulse werden so gewählt, dass die Magnetisierung einer zu schaltenden Zelle eine halbe (180°) Präzessionsdrehung vollführt, während in der Zelle, deren Speicherzustand unverändert bleiben soll, eine volle (360°) Präzessionsdrehung stattfindet. In beiden Fällen ist die Magnetisierung nach Abschalten des Pulses im Gleichgewichtszustand und es treten keine magnetischen Anregungen mehr auf.

Diese optimale Bitansteuerung kann mit sehr kurzen Schaltpulsen von unter 500 ps Dauer durchgeführt werden, was zu maximalen MRAM Taktraten von über 2 GHz führt. Damit wird es erstmals möglich, ein nichtflüchtiges Speicherbauteil zu bauen, das in der Taktrate mit den schnellsten flüchtigen Speicherbauteilen, den SRAM, konkurrieren kann. Durch ein paralleles Programmieren mehrerer Bits gleichzeitig könnte die effektive MRAM-Schreibrate pro Bit sogar noch um eine weitere Größenordnung gesteigert werden.