MRAM so schnell wie DRAM und SRAM

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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 MRAM (magnetische ‘Random Access Memories’).

Darin wird die digitale Information nicht in Form elektrischer Ladung gespeichert, sondern über die magnetische Ausrichtung von Speicherzellen (Magnetspins). Wie etwa USB-Sticks speichern MRAM 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.

Elektronenmikroskopische Aufnahme einer MRAM-Speicherzelle (Abb.: PTB)
MRAM-Zelle im Elektronenmikroskop (Abb.: PTB)

Die Zeit für die Programmierung eines magnetischen Bits beträgt heute etwa 2 ns. Wer dies beschleunigen will, stößt an Grenzen, die mit den 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 in dieser Zeit 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.

Eine Erfindung der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig (PTB) ändert dies. Die Forscher haben das MRAM-Design optimiert und die sogenannte ballistische Bitansteuerung integriert, die ebenfalls an der PTB entwickelt wurde. Dabei werden die zur Programmierung dienenden Magnetpulse so gewählt, dass die anderen Zellen im MRAM so gut wie gar nicht magnetisch angeregt werden.

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 gesteigert werden konnte.

Die Erfindung ermöglicht es nach Angaben der PTB, mit MRAM Taktraten zu erzielen, die mit denen der schnellsten flüchtigen Speicherbauteile konkurrieren können. Die Lösung ist inzwischen Europa- und US-weit patentiert. Ein Industrieunternehmen, das solche MRAM in Lizenz fertigt, wird noch gesucht.