Nichtflüchtiger Speicher Was ist Magnetoresistive Random Access Memory (MRAM)?

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Magnetoresistive Random Access Memory ist eine nichtflüchtige Speichertechnologie. Zur Speicherung der Daten werden die magnetischen Eigenschaften spezieller Materialien genutzt. Sie verändern unter dem Einfluss von magnetischen Feldern ihren elektrischen Widerstand. MRAM kombiniert die Vorteile unterschiedlicher Speichertechnologien wie DRAM und NAND-Flash, konnte sich bisher aber nur als Nischentechnologie etablieren.

MRAM ist das Akronym für Magnetoresistive Random Access Memory. Es handelt sich um eine Technologie für nichtflüchtigen Speicher. Ihre Entwicklung reicht bis in die 1990er-Jahre zurück. Die Technologie kombiniert die Vorteile unterschiedlicher Speichertechnologien wie DRAM und NAND-Flash.

Prinzipiell hat MRAM das Potenzial, als eine Art Universalspeicher andere derzeit genutzte Speichertechnologien zu ersetzen. Die Daten werden wie bei NAND-Flash permanent gespeichert und lassen sich ähnlich schnell lesen und speichern wie bei DRAM. Anstatt mit elektrischen Ladungen werden die Informationen mithilfe der magnetischen Eigenschaften spezieller Materialien gespeichert.

Aufgrund der hohen Herstellungskosten und der geringen Speicherdichte konnte sich Magnetoresistive Random Access Memory bisher nicht großflächig durchsetzen und kommt nur für Nischenanwendungen zum Einsatz. Verschiedene große Hersteller beschäftigen sich zwar mit der Technik, doch gibt es außer der Firma Everspin Technologies kaum kommerzielle Anbieter von MRAM-Speicherchips. Eingesetzt werden solche Chips beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt, in industriellen Rechnern, im Automotive-Bereich, in Rüstungsprodukten oder für In-Memory-Computing.

Prinzipielle Funktionsweise von Magnetoresistive Random Access Memory

MRAM speichert Informationen nicht mit elektrischen, sondern mit magnetischen Ladungselementen. Es kommen magnetoresistive Metalle zum Einsatz, die ihren elektrischen Widerstand beim Anlegen eines magnetischen Felds verändern. Grundsätzlich gibt es verschiedene Wirkmechanismen und technische Ausgestaltungen zur Realisierung von Magnetoresistive Random Access Memory. Vereinfacht dargestellt, lässt sich die Funktionsweise des Speichertyps folgendermaßen beschreiben:

Zwischen zwei dünnen ferromagnetischen Schichten befindet sich eine unmagnetische Schicht. Der elektrische Widerstand der unmagnetischen Schicht ist von der Ausrichtung der Magnetisierung der sie umgebenden ferromagnetischen Schichten abhängig. Sind sie parallel magnetisiert, ist die unmagnetische Schicht niederohmig und repräsentiert den Binärwert 1. Eine antiparallele Ausrichtung macht die unmagnetische Schicht hochohmig, was den Binärwert 0 darstellt. Der Widerstandswert bleibt auch nach Abschalten der Stromversorgung erhalten. Die beiden ferromagnetischen Schichten lassen sich in eine magnetisch weiche und eine magnetisch harte Schicht unterteilen. Die magnetisch harte Schicht hat eine unveränderliche Magnetfeldrichtung und dient als Referenz. Mithilfe kleiner Ströme kann die Magnetfeldrichtung der magnetisch weichen Schicht verändert werden. Sie ist entweder parallel oder antiparallel zur Referenzmagnetisierung der harten Schicht ausgerichtet.

Vor- und Nachteile von Magnetoresistive Random Access Memory

Vorteile von MRAM sind:

• Daten sind permanent (nichtflüchtig) auch ohne Energieversorgung gespeichert,

• sofort betriebsbereit,

• beliebig oft wiederbeschreibbar,

• hohe Schreib- und Lesegeschwindigkeiten,

• hohe Strahlungsfestigkeit und immun gegen äußere Störungen,

• geringer Energieverbrauch,

• hohe Zuverlässigkeit,

• in großem Temperaturbereich nutzbar.

Als Nachteile lassen sich aufführen:

• hohe Herstellungskosten und geringe Speicherdichte,

• komplexe Ansteuerungselektronik,

• geringe Herstellervielfalt.

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