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MRAM speichern Daten ohne Strom - und jetzt auch extrem schnell

Patentierte PTB-Erfindung löst das Problem des "magnetischen Klingelns"

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08.03.2011

Die wichtigsten neuen Bausteine im Markt der Computer-Speicherchips heißen MRAM (magnetische "Random Access Memories"). Wie der bekannte USB-Stick speichern sie Informationen auch im stromlosen Zustand, aber MRAM bieten darüber hinaus kurze Zugriffszeiten und unbegrenzte Beschreibbarkeit. Kommerzielle MRAM sind seit 2005 auf dem Markt. Allerdings sind sie noch langsamer als ihre Konkurrenten unter den flüchtigen Speichermedien. Eine Erfindung aus der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) ändert dies: Eine spezielle Chip-Beschaltung, verbunden mit einer dynamischen Ansteuerung des Bauelements, senkt die Ansprechzeit von bisher 2 ns auf unter 500 ps. Dies entspricht einer Datenrate von 2 GBit/s (statt bisher etwa 400 MBit/s). Die Erfindung, die inzwischen Europa- und US-weit patentiert ist, ermöglicht darüber hinaus eine verringerte Leistungsaufnahme und thermische Belastung sowie eine geringere Bit-Fehler-Rate. Ein Industrieunternehmen, das solche MRAM in Lizenz fertigt, wird noch gesucht.

Elektronenmikroskopische Aufnahme einer MRAM-Speicherzelle

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 verspricht das MRAM. Darin 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-Modelle sind noch nicht schnell genug, um die besten Konkurrenten zu überflügeln. Die Zeit für die Programmierung eines magnetischen Bits beträgt etwa 2 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 - das sogenannte magnetische Klingeln - sind nur schwach gedämpft, das Abklingen kann bis zu etwa 2 ns dauern, und währenddessen kann keine weitere Zelle des MRAM-Chips programmiert werden. So ist die maximale Taktrate von MRAM bisher auf etwa 400 MHz begrenzt. Alle Versuche, schneller zu werden, führten bisher zu nicht tolerierbaren Schreibfehlern. Die PTB-Wissenschaftler haben nun das MRAM-Design optimiert und die sogenannte ballistische Bitansteuerung, die ebenfalls in der PTB entwickelt wurde, integriert. Dabei werden die zur Programmierung dienenden Magnetpulse so geschickt gewählt, 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 auch 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. Die Erfindung ermöglicht es, mit MRAM Taktraten zu erzielen, die mit denen der schnellsten flüchtigen Speicherbauteile konkurrieren können.

Ansprechpartner:
Dr. Bernhard Smandek, PTB-Technologietransfer,
Tel. (0531) 592-8303,
E-Mail: bernhard.smandek(at)ptb.de

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