Schnell und dauerhaft

"Also magnetoresistiver RAM ist zunächst die Idee, die Speicherchips in Computern, die jetzt aus Halbleitern bestehen, zu ersetzen durch Nanostrukturen, bei denen dann wie bei einer Festplatte, die sich aber nicht bewegt, magnetische Information gespeichert wird, anstelle von elektrischer",

beschreibt der Experimentalphysiker Wolfgang Kuch von der Freien Universität Berlin den neuartigen Speicher. Beim magnetoresistiven RAM nutzen die Forscher einen ganz speziellen Effekt aus: den Riesenmagneto-Widerstandseffekt. Das ist ein quantenmechanischer Effekt, der auftritt, wenn die Eisenschichten sehr dünn sind. Und dünn sind sie. Nur wenige Nanometer dick sind die Röhrchen, die auf einen Träger aufgebracht werden. Diese Nanoröhrchen weisen eine Polarisierung wie bei einem Magneten auf. So können sie entweder eine Eins oder eine Null und damit ein einzelnes Bit darstellen. Die Stellen, an der die Polarisierung erkennbar ist, bezeichnen die Fachleute als Domainwalls.

"Domainwall - also eine Domainwand - ist die Grenze zwischen zwei Bereichen auf einer Festplatte oder in so einem Streifen, in der die Magnetisierung in unterschiedliche Richtungen zeigt. Und um Informationen zu speichern, muss man ja Magentisierungen in benachbarten Regionen in gleiche oder unterschiedliche Richtungen zeigen lassen. Eine solche Domainwand ist also der Bereich, wo die Magnetisierung zwischen den Domains dreht, und das tut sie nicht abrupt von einem Atom zum nächsten, sondern über einen Bereich von fünf bis zehn Nanometern etwa je nach Parametern des Materials."

Die einzelnen Röhrchen werden zu Speicherzellen zusammengefasst, die dann zusammen die MRAMs bilden. Diese funktionieren dann ganz ähnlich dem herkömmlichen Speicherbausteine. Und die Forscher gehen noch weiter. Denn die MRAMs sind eher noch als zweidimensional anzusehen. Sie belegen zwar eine große Fläche, doch in der Höhe ist noch viel Platz. Diesen will die Racetrack-Technologie ausnutzen. Die Idee zur Racetrack-Technik hatte Stuart Parking vom Computerhersteller IBM. Der Forscher will die flachen Strukturen in die Höhe ausbauen. Wolfgang Kuch beschreibt es so:

"Das ist also wie, wenn man sich jetzt die Normalen, Zweidimensionalen als eine Einzelhaussiedlung vorstellt und diese dann in so etwas wie Manhattan zu verwandeln, indem man auf der gleichen Fläche viel mehr Informationen unterbringt."

Dazu reicht es nicht, die Röhrchen zu stapeln. Denn dann könnten die magnetischen Informationen nicht mehr gelesen werden. Vielmehr biegt man die Röhrchen. Stark vergrößert unter dem Mikroskop sehen sie dann wie ein nach oben offenes Hufeisen aus.

"Die Idee von Stuart Parkin war nun, diese Streifen vertikal anzuordnen über einem Auslese- und Schreibkopf. Und so zunächst durch einen Strom die magnetische Information an die richtige Position zu bringen, sodass sie dort gelesen oder geschrieben werden kann."

In den Röhrchen findet man die Domainwalls an mehreren Stellen. Legt man einen Strom an, können die Domainwalls verschoben werden. Sie wandern also durch den Streifen vorbei an einem Lesekopf. Er liest die Zustände und gibt sie als Bits weiter zur Verarbeitung. Das ist so wie bei einer Tonbandkassette, nur dass das Tonband, also hier der Streifen, nicht mechanisch bewegt wird, sondern nur die Elektronen. Doch egal zwei- oder dreidimensional. Die Nanoröhrchen-Magnetspeicher weisen eine ganze Reihe von Vorteilen gegenüber herkömmlichen Speichertechniken wie der Festplatte, dem Flashspeicher oder auch dem herkömmlichen RAM-Speicher auf. Sie benötigen weniger Energie, weil ein magnetischer Speicher auch ohne angelegten Strom seine Information behält. Außerdem gibt es keine mechanischen Elemente, die Strom benötigen, Hitze erzeugen oder kaputt gehen können.

"Man könnte daran denken, die beweglichen Festplatten durch solche magnetischen RAMs komplett zu ersetzen. Das Problem bei den Festplatten ist tatsächlich das Bewegliche. Also eine alte Ingenieursweisheit sagt, alles was sich bewegt, nutzt sich ab. Und das tritt halt auch in den Festplatten in den Computern auf. Bei denen ist ja die Frage nicht, ob sie kaputt gehen, sondern wann sie kaputt gehen und bei einer Sache ohne bewegliche teile wäre also die Haltbarkeit sehr viel größer."

Zudem sind die magnetischen RAMs sehr schnell. Allerdings heute noch nicht so schnell, dass sie RAM-Speicher ersetzen können. Wenn das soweit ist, ergäbe das weitere in der Praxis spürbare Vorteile.

"Wenn die RAMs im Computer ersetzt werden, könnte man den einfach an und ausschalten und wäre genau wieder da, wo man angefangen hat. Also das Hochfahren des Computers würde entfallen."

Doch so weit ist noch lange nicht. Es gibt zwar erste Produkte der flachen MRAMs für ganz spezielle Anwendungsfelder auf dem Markt, aber massentauglich ist die Technologie noch nicht. Ein Problem ist die sogenannte Skalierbarkeit. Die Technik kann nur in der aktuellen Größe eingesetzt werden. Kleiner geht noch nicht. Und wenn sie nicht kleiner wird, werden Speicherkapazität und Geschwindigkeit nicht steigen können. Und auch an der Racetrack-Technik muss noch geforscht werden. Frühestens in zehn Jahren erwarten die Forscher erste fertige Produkte.