STT-RAM – Spin-Storage für Big Data

Am Peter Grünberg Institut des Forschungszentrums Jülich entwickelt man die Ideen des Namensgebers weiter. Denn die klassische Festplatte stößt an ihre Grenzen. Die Kapazitäten sollen immer weiter steigen, die Bitgrößen schrumpfen. Dadurch verringert sich aber die Stabilität der gespeicherten Information, Datenverluste drohen. Neue Materialien mit größerer Magnetisierung könnten das verhindern, erfordern aber auch ein größeres Schreib-Magnetfeld. Es ist schwer, große Felder genau genug auf nur ein Bit zu konzentrieren, denn eine Beeinflussung der daneben liegenden Speicherbereiche ist kaum noch auszuschließen.

„Bei den STT-RAMs wird der GMR-Effekt praktisch umgedreht“, erläutert Dr. Daniel Bürgler, Leiter der Arbeitsgruppe Spin-Elektronik im Forschungszentrum Jülich. Beim Schreiben eines Bits in ein magnetisches Sandwich ändert ein elektrischer Impuls die Spin-Ausrichtung in einer der beiden ferromagnetischen Schichten. Sie sind entweder parallel (logisch 0) ausgerichtet, oder antiparallel (logisch 1). Beim Lesen zeigt der veränderte Riesenmagnetowiderstand den logischen Zustand (0 oder 1) der Speicherzelle an.

Ein kleiner Strom genügt zum Auslesen

Die mikroskopisch kleinen magnetischen Sandwiches sitzen an den Kreuzungspunkten von Leiterbahnen. So ergibt sich ein Speicherfeld, ähnlich wie bei Flash-Speichern, aber mit gänzlich anderen physikalischen Grundlagen. Zum Auslesen des Speicherzustandes genügt ein kleiner Strom, der den logischen Zustand nicht ändert und die Batterie nur geringfügig belastet.

Die einzelnen Sandwiches der neuen STT-RAMs sind nur 50 x 50 Nanometer groß und könnten noch weiter schrumpfen. Sie besitzen eine Reihe von Eigenschaften, die sich die Entwickler von Computersystemen schon lange gewünscht haben: Ein kleiner, dauerhafter Speicher, der unempfindlich gegen mechanische Störungen und verhältnismäßig robust gegen elektrische und magnetische Felder ist.

Unkomplizierte Fertigung

Sie können zudem auf denselben Fertigungsstraßen wie Mikroprozessoren hergestellt werden. Es sind lediglich einige weitere Prozessschritte nötig, um die ferromagnetischen Schichten aufzubringen. Damit ließen sich erstmals Prozessoren mit extrem schnellen und nicht-flüchtigen Speichern bauen, der sich unmittelbar neben den logischen Gattern der CPU befindet.

Wie lange wird es noch dauern, bis STT-RAM-Speicher unsere Festplatten ersetzen? „Noch sind diese Speicher für den Endanwender zu teuer“, so Dr. Daniel Bürgler. „Dort, wo es auf besonders robusten Storage ankommt, wie etwa in der Raumfahrt, werden sie aber bereits eingesetzt. Japanische und amerikanische Firmen bereiten sich aber bereits auf eine Massenfertigung für breite Anwenderschichten vor.“

Die STT-RAMs sind also auf dem Weg in den Markt. Das unterscheidet sie von den Laborexperimenten, die in den letzten Wochen durch die Medien geisterten. Drei Atome als Speicherzelle mögen auf dem Tisch einer Universität funktionieren. Bis es eine praktische Anwendung gibt, dürften noch Jahrzehnte vergehen.

(ID:32258490)