Vom Storage-Guru zum Speicherpapst

Der Ausnahmewissenschaftler Stuart Parkin

| Autor / Redakteur: Tina Billo / Rainer Graefen

Stuart Parkin ist seit April 2014 Direktor am MPI für Mikrostrukturphysik Halle sowie Professor am Institut für Physik der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg.
Stuart Parkin ist seit April 2014 Direktor am MPI für Mikrostrukturphysik Halle sowie Professor am Institut für Physik der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg. (Maike Glöckner)

Theoretisch könnte man ein Bit in etwa einem Dutzend Atomen speichern; momentan sind dazu noch einige Millionen notwendig. Doch der Weg dahin ist noch lang, auch wenn der Erfindungsreichtum des Ausnahmewissenschaftlers Stuart Parkin schon viele Schritte in Richtung weiterer Speicherminiaturisierung vorgezeichnet hat.

Das Internet ist für uns heute so selbstverständlich wie Luft oder Elektrizität. Wir recherchieren, nutzen Anwendungen über die Cloud, tauschen uns in sozialen Netzwerken aus, hören Musik oder rufen Filme ab. In nur wenigen Sekunden können wir von uns gewünschte Daten abrufen, ganz gleich wo wir uns gerade befinden.

Was für uns inzwischen alltäglich ist, verdanken wir nicht zuletzt dem Erfindergeist des Experimentalphysikers Dr. Stuart S.P. Parkin. Ihm gelang es, den von seinen Kollegen Peter Grünberg und Albert Fert in den 1980er-Jahren entdeckten „Riesenmagneto-Widerstand“ praktisch anzuwenden: In Form eines speziellen Lesekopfes für Festplatten, der es erlaubte, auf Speichermedien besonders viele Daten zu packen und trotzdem noch präzise auszulesen.

Diese wohl bekannteste Entwicklung ist allerdings nur eine von vielen, denn der gebürtige Brite nennt inzwischen 101 Patente sein eigen. Der Wissenschaftler „für den es aufregender ist, wenn man die Welt auch verändern kann“ im Kurzportrait.

Wie alles begann

Dass sich auf der ersten von IBM im Jahr 1956 vorgestellten kühlschrankgroßen und buchstäblich eine Tonne schweren Festplatte mit einer Kapazität von 5 Megabyte gerade einmal ein Song speichern ließ, hält die heranwachsende Smartphone-Generation vermutlich ebenso wie Telefone mit Wählscheiben für eine Räuberpistole.

Dennoch ist es gerade einmal knapp 20 Jahre her, dass die ersten Laufwerke auf den Markt kamen, in denen der von Stuart Parkin ersonnene auf den Gesetzen der Spintronik beruhende äußerst sensible Lesekopf steckte. Gut sieben Jahre, in denen der Forscher und sein Team rund 30.000 Materialversuche durchführten, verstrichen von der Idee bis hin zu den ersten kommerziellen Produkten.

Deren Einführung veränderte die Welt des Speicherns dann jedoch schlagartig. Plötzlich ließ sich die tausendfache Menge an Daten auf gleichem Raum unterbringen – im wahrsten Sinne des Wortes ein mechanischer Quantensprung. Ein Durchbruch nicht nur für den Wissenschaftler, sondern ebenso für die Industrie, setzte dies doch einen Milliarden Euro schweren Markt in Gang.

Nun wurde Parkins Leistung, der Technik aus der Grundlagenforschung den Weg in die Praxis zu ebnen, gewürdigt: Musste er bei der Verleihung des Nobelpreises für Physik 2007 noch Grünberg und Fert das Feld für die Entdeckung des GRM-Effekts überlassen, erhielt er am 9. April 2014 den angesehenen Millennium Technology Prize und bewegt sich damit auf den Spuren des World Wide Web-Begründers Tim Berners-Lee.

Der mit einer Million US-Dollar dotierte als „Technologie-Oskar“ angesehene weltweit größte Technologiepreis würdigt Wissenschaftler, die das Wohl und die Lebensqualität der Menschen verbessern.

Vom Magnetismus über die Nanotechnologie hin zu kognitiven Speichern

Noch heute rotiert die von Parkin entwickelte „Spin-Ventil-Sensor“-Technik in allen herkömmlichen Festplatten. Aufgrund ihrer mechanischen Anfälligkeit und ihres hohen Energieverbrauchs ringen die Technologiehersteller selbstredend schon seit geraumer Zeit um Alternativen.

Eine davon ist der ebenfalls von dem Materialstoffforscher entwickelte gleichermaßen auf dem magnetischen Sandwich-Prinzip beruhende Magnoresistive RAM-Speicher (MRAM). Dieser soll über kurz oder lang die Trennung zwischen Arbeits- und Festplattenspeicher aufheben, konnte sich jedoch aufgrund seines hohen Preises bislang nur in einigen wenigen Gebieten, zum Beispiel in speicherprogrammierbaren Steuerungen, GPS-Trackern, als Servercache oder in der Luft- und Raumfahrt, durchsetzen.

Ein Wald voller Nadelbäume

Zwischenzeitlich ist Parkin bereits erneut einen Schritt weiter: Er sucht nach Wegen, um auf den Lesekopf vollständig verzichten zu können, bremst dieser doch nur die Geschwindigkeit des Speichers aus. Hierzu begibt er sich schon seit geraumer Zeit in dreidimensional nanotechnische Sphären.

Racetrack Memory, so der Name seines neuesten, wenngleich nicht mehr ganz so jungen Babys, das in Konkurrenz zu seinen MRAMs steht. Hier werden die Informationen auf hauchdünnen magnetischen Drähten aufbewahrt. Der langjährige Leiter der Magnetoelektronik-Gruppe des Forschungszentrums IBM Almaden Research Laboratory und IBM Fellow vergleicht das neue Konzept gerne mit einem „Wald voller Nadelbäume“.

In jedem einzelnen Stamm sind abschnittsweise die digitalen Informationen gespeichert und lassen sich per Strom heraufschicken und wieder herunterholen. Ein- und ausgelesen werden sie dann in der Wurzel. Dieser Ansatz bietet zwei Vorteile. Gegenüber zweidimensionalen, flachen Strukturen wird hier auch die Höhe ausgenutzt, dadurch lässt sich erneut eine höhere Speicherdichte erzielen.

Zudem kommen nun die Bits zum Kopf und nicht mehr der Kopf zu den Bits. Dies erhöht die Zugriffsgeschwindigkeit. Racetrack könnte also – sobald serienreif – zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen. Doch bis dahin gibt es noch einiges an Arbeit zu leisten, denn der bislang in den Prototypen eingesetzte weichmagnetische Stoff macht den Forschern derzeit noch zu schaffen. Doch Parkin wäre nicht Parkin, wenn er durch seine unermüdliche Arbeit mit Materialien, nicht auch hier eine Lösung fände. Dann könnte es das neue Speichermedium tatsächlich in die Hosentaschen jedes einzelnen schaffen, zum Beispiel in Form eines USB-Sticks mit enormer Kapazität.

Vorbild Hirn

Während die Entwicklung an der bereits greifbaren Technik weiter voranschreitet, beschäftigt den Top-Wissenschaftler schon ein neuer Gedanke: Speicher, die nach dem Vorbild des Hirns arbeiten und damit eine Million Mal energieeffizienter sind als Siliziumchips. Schaltkreise, die wie Synapsen arbeiten; bei denen die Leitungen je häufiger genutzt, desto stärker werden.

Dies mag auf den ersten Blick versponnen klingen, doch Parkins Vorstellungen sind recht konkret. Parallel und dreidimensional verknüpft sollen sie sein, die Speicher der Zukunft, und zudem kognitiv, das heißt, ihre Eigenschaften während des Betriebs an neue Aufgaben anpassen können, sich wie Neuronenverbindungen rekonfigurieren. Ganz gleich, ob seine jüngsten Überlegungen sich in der Wirklichkeit umsetzen lassen oder nicht: Sein Wechsel an das Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle an der Saale bietet ihm neben der Möglichkeit, interdisziplinär zu forschen, ebenso den finanziellen Freiraum „ein paar verrückte Dinge zu machen“. Und damit erneut einen Beitrag dazu zu leisten, „der das Leben der Menschen im Ganzen verbessert“.

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