Spin-Torque Transfer RAM

STT-RAM – Spin-Storage für Big Data

| Autor / Redakteur: Bernd Schöne / Nico Litzel

Magnetische Sandwiches. Jede Speicherzelle eines STT-RAM besteht aus drei Lagen: zwei magnetische Schichten sowie dazwischen eine nichtmagnetische Schicht. (a) Lesen: Unterschiedliche relative Ausrichtung der Elektronenspins in den ferromagnetischen Schichten verursacht eine unterschiedliche Leitfähigkeit des Sandwiches. Paralleler Spin bedeutet einen geringen, antiparallelen hohen Widerstand. (b) Schreiben: Die Spinausrichtung lässt sich durch einen Stromstoß dauerhaft beeinflussen. Somit lässt sich die Zelle zum Speichern von Information verwenden. (© Dr. Daniel Bürgler, Forschungszentrum Jülich)
Magnetische Sandwiches. Jede Speicherzelle eines STT-RAM besteht aus drei Lagen: zwei magnetische Schichten sowie dazwischen eine nichtmagnetische Schicht. (a) Lesen: Unterschiedliche relative Ausrichtung der Elektronenspins in den ferromagnetischen Schichten verursacht eine unterschiedliche Leitfähigkeit des Sandwiches. Paralleler Spin bedeutet einen geringen, antiparallelen hohen Widerstand. (b) Schreiben: Die Spinausrichtung lässt sich durch einen Stromstoß dauerhaft beeinflussen. Somit lässt sich die Zelle zum Speichern von Information verwenden. (© Dr. Daniel Bürgler, Forschungszentrum Jülich)

Die aktuelle Festplattentechnik stößt bald an ihre Grenzen. Rettung vor den Datenbergen der Zukunft versprechen ultrakleine magnetische Sandwiches aus magnetischen und nichtmagnetischen Materialien.

Statt auf rotierenden Platten sitzen die magnetischen Sandwiches unbeweglich auf Chips, die wie Mikroprozessoren und Flash-Speicher aus Silizium bestehen. Sie speichern enorm dicht, enorm billig und das auch noch dauerhaft. Genutzt wird die „Spin“-Ausrichtung von Metallzellen.

Noch gibt es die Wunderspeicher nur für die Raumfahrt und andere Spezialanwendungen, aber weltweit forschen Wissenschaftler daran, so bald wie möglich die Großserienproduktion zu starten. Dazu müssen die Strukturen im Innern der STT-RAMs (Spin-Torque Transfer RAMs), eine fortgeschrittene Version des MRAM (Magnetic Random-Access Memory), noch weiter schrumpfen. Das vergrößert die Leistungsfähigkeit und reduziert die Herstellungskosten pro Bit.

Speicher und Mikroprozessor wachsen zusammen

Wenn alles klappt, hat die IT-Industrie einen Speicher, von dem sie seit Langem träumt: Er passt zusammen mit der „Intelligenz“ auf einen Mikroprozessor, ist störsicher, klein, schnell und preiswert. Vor allem benötigt er nicht, wie andere alternative Speicherkonzepte, außergewöhnliche und damit teure Herstellungsprozesse.

Wenn sich STT-RAMs im Markt etablieren, müssen die IT-ler umdenken. Denn STT-RAMs speichern magnetisch wie Festplatten und sind dennoch Chips auf Siliziumbasis. Die Speicherung ist bis zu einem Schreib- oder Löschimpuls stabil und benötigt keine Stromversorgung.

Im Fachjargon: STT-RAMs sind nichtflüchtig. Möglich macht das ein physikalischer Effekt, der erst vor wenigen Jahrzehnten entdeckt und erst im Laufe der Zeit voll, das heißt, mit all seinen Konsequenzen, verstanden wurde.

Der Riesenmagnetowiderstand

1988 entdeckten der Jülicher Wissenschaftler Prof. Peter Grünberg und der Franzose Prof. Albert Fert unabhängig voneinander den „Riesenmagnetowiderstand“, auch GMR-Effekt (giant magnetoresistance) genannt. Damit legten sie das Fundament der „Spin-Elektronik“. 2007 teilten sich beide Forscher für diese Entdeckung den Physik-Nobelpreis.

Im Dezember 1997 stellte IBM die ersten Festplatten auf Basis des GMR-Effektes vor, denn der „Riesenmagnetowiderstand“ bewirkt eine große Änderung des elektrischen Widerstandes, auch wenn das anliegende Magnetfeld nur geringfügig schwankt. Es handelt sich um einen Quanteneffekt, der auf der Ausrichtung des Drehimpulses von Elektronen, dem „Spin“, beruht.

Die Sensoren bestehen aus zwei Schichten eines ferromagnetischen Materials, welche durch eine dünne, nichtmagnetische Schicht getrennt sind. Äußere Magnetfelder führen zu einem Umklappen des Spins der einen ferromagnetischen Schicht – und dies wiederum zu der erwähnten Widerstandsänderung. Das ist eine ideale Eigenschaft, um Leseköpfe für Festplatten herzustellen. Denn während sie über die Festplatte fliegen, reagieren die Schichten auf geringste Änderungen jener Magnetfelder, die sich über den Bits auf der Platte befindet.

Inhalt des Artikels:

Kommentare werden geladen....

Was meinen Sie zu diesem Thema?

Anonym mitdiskutieren oder einloggen Anmelden

Avatar
  1. Avatar
    Avatar
    Bearbeitet von am
    Bearbeitet von am
    1. Avatar
      Avatar
      Bearbeitet von am
      Bearbeitet von am

Kommentare werden geladen....

Kommentar melden

Melden Sie diesen Kommentar, wenn dieser nicht den Richtlinien entspricht.

Kommentar Freigeben

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

Freigabe entfernen

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 32258490 / Forschung u. Wissenschaft)