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MRAM-Alternative: Energiediät für Arbeitsspeicher

Flüchtige Arbeitsspeicher brauchen viel Energie, damit ihre Inhalte erhalten bleiben. Die Alternative –MRAMs – speichern Daten magnetisch, bedürfen aber großer Ströme, wenn die Daten initial geschrieben werden. Das ändern Forscher des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossdorf gerade.

Speicherchip mit geringer Leistungsaufnahme Bildquelle: © T. Kosub | HZDR

Der Prototyp des neuen Speicherchips besteht aus einer dünnen Chromoxid-Schicht zum Speichern, auf der eine ultradünne Platinschicht zum Auslesen aufgebracht wird.

Heutige Speicher »sind flüchtig, so dass ihr Zustand permanent erneuert werden muss«, sagt Tobias Kosub, Erstautor der Studie und Post-Doc am Helmholtz-Zentrm Dresden-Rossendorf (HZDR). »Und das verbraucht relativ viel Energie.« Neben der damit verbundenen Hitzeentwicklung, die in Rechenzentren den Bedarf nach Kühlung vergrößert, macht sich der Verbrauch auch unangenehm auf der Stromrechnung der Betreiber bemerkbar.

MRAMs speichern Daten magnetisch, benötigen dafür eingangs jedoch recht große Ströme, was auch die Zuverlässigkeit verringert. »Kommt es beim Schreib- oder Leseprozess zu Störungen, drohen sie vorschnell zu verschleißen und kaputtzugehen«, so Kosub.

Sogenannte magnetoelektrische Antiferromagnete werden durch eine elektrische Spannung aktiviert und scheinen als MRAM-Alternative recht aussichtsreich. Aber: »Diese Materialien lassen sich nicht ohne weiteres ansteuern«,  so ZDR-Gruppenleiter Dr. Denys Makarov. »Es ist schwierig, sie mit Daten zu beschreiben und wieder auszulesen.« Das Auslesen der magnetoelektrischen Antiferromagnete sei – unter Verlust der Vorteile - nur indirekt über Ferromagneten möglich, glaube man bisher. Ein rein antiferromagnetischer magnetoelektrischer Speicher (AF-MERAM) besäße die Nachteile nicht.

Erstes Exemplar dieser neuen Gattung ist der AF-MERAM-Prototyp, den die Dresdner gemeinsam mit Basler Forschern entwickelt haben. Eine hauchdünne Chromoxid-Schicht ist zwischen zwei nanometerdünnen Elektroden eingepresst. Bei angelegter Spannung »kippt« das Chromoxid in einen anderen magnetischen Zustand, ein Bit ist geschrieben. Dabei genügen nur wenige Volt. »Gegenüber anderen Konzepten konnten wir die Spannung um den Faktor 50 reduzieren«, sagt Kosub. »Dadurch können wir ein Bit schreiben, ohne, dass das Bauteil viel Energie verbraucht und sich aufheizt.

Das komplexe Auslesen gelang den Forschern durch Anbringen einer nanometerdünnen Platinschicht auf dem Chromoxid und die Nutzung des anomalen Hall-Effektes mittels dessen das sehr kleine und von Störsignalen überlagerte Signal trotzdem ausgelesen werden kann. »Wir konnten eine Methode entwickeln, die das Gewitter der Störsignale unterdrückt und es erlaubt, an das Nutzsignal heranzukommen«, erklärt Makarov. »Das war der eigentliche Durchbruch.«

»Bislang funktioniert das Material zwar bei Raumtemperatur, aber nur in einem kleinen Fenster«, erläutert Kosub. »Indem wir das Chromoxid gezielt verändern, wollen wir den Bereich deutlich erweitern.« Daran arbeiten die Kollegen des Swiss Nanoscience Institute und der Abteilung Physik an der Universität Basel. Sie entwickelten eine  neue Methode, mit der sich die magnetischen Eigenschaften des Chromoxids zum ersten Mal auf der Nanoskala abbilden lassen. Im nächsten Schritt werden jetzt Arrays aus mehreren Elementen konstruiert, damit praktikable Speichergrößen erreicht werden.

«Im Prinzip ließen sich solche Speicherchips mit den üblichen Verfahren der Computerhersteller fertigen«, sagt Makarov. »Nicht zuletzt deshalb zeigt die Industrie großes Interesse an solchen Bauteilen.«