Von Andrea Vogel
Magnet-RAM-Bausteine sollen dafür sorgen, dass Computerbenutzer sich in Zukunft nicht mehr die Haare raufen müssen, wenn der Strom ausfällt. Denn diese MRAMs sind nicht flüchtig, behalten ihren Inhalt also auch ohne Strom. Hugo van den Berg von der Uni Nimwegen erklärt, wie das funktioniert:
Sie kennen einen Dauermagnet. Und mit einem Feld ist man im Stande, die Magnetisierung umzudrehen. Dann hat man zwei stabile Zustände.
Jeder Zustand steht für einen gespeicherten Wert. Also zum Beispiel: Magnetisierung nach rechts für Null, nach links für Eins. Strom braucht man nur noch, um die Richtung zu ändern. Ein MRAM wird aus vielen Mini-Dauermagneten aufgebaut, die wie die Felder eines Schachbretts nebeneinander liegen. Der Strom, mit dem die Magnetisierung geändert werden soll, fließt durch Leiterbahnen, die wie Gitter über und unter dem Schachbrett liegen: Quer - unter jeder Zeile liegt eine Bahn und längs – über jeder Spalte eine weitere. So hat jede Zelle zwei Leitungen, die sich nur bei ihr kreuzen. Und nur, wenn durch beide Leitungen Strom fließt, wird die Zelle geschaltet. Dabei übernehmen die beiden Strompulse ganz unterschiedliche Funktionen:
Mit dem einen Puls wird das magnetische Element ge-biased, so nennt man das, also schon mal ein Feld in die Richtung anlegt, in die man das Element schalten möchte. Allerdings ist dieses Feld viel zu gering, als dass das Element schaltet. Was man jetzt macht, ist, dass der 2. Puls kommt. Und dieses Feld sorgt dafür, dass die Magnetisierung regelrecht aus dem Gleichgewicht getickt wird. Und das andere Feld, durch den Strom, den ich vorher angelegt habe, sorgt dafür, dass die Magnetisierung in die gewünschte Position kommt.
Erklärt van den Bergs Kollege Thomas Gerrits. Man kann sich einen Billardtisch vorstellen mit nur zwei Taschen, die sich diagonal gegenüber liegen – jede steht für eine Magnetisierungsrichtung. Durch den Biasstrom wird der Tisch so gekippt, dass die Zieltasche der tiefste Punkt wird. Die Kugel bleibt aber trotzdem in der Tasche, in der sie gerade liegt. Der zweite Strom, der Adressierungsstrom, ist eine Art Hebebühne in den Taschen: Er schiebt die Kugel auf den Tisch und deckt beide Taschen ab. Wie schnell die Kugel in der neuen Tasche landet, das hängt stark vom Adressierungsstrom ab. Denn: so lange der noch fließt, ist die Tasche zu. Die Kugel rollt über sie hinweg, prallt gegen die Bande und kullert erst einmal ein bisschen durch die Gegend, bis sie dann endlich irgendwann versinkt. Genau das ist bislang noch das Problem der MRAMS: Dieses Herumrollen macht sie langsam. Denn: Solange die Kugel noch rollt, kann der Bias nicht geändert werden – also kein anderes Speicherelement der selben Zeile angesprochen werden.
Die Lösung dieses Problems klingt eigentlich ganz einfach:
Wenn man diesen Magnetfeldpuls, den wir da durch die Leitung schicken, wenn der im richtigen Moment ausgeschaltet wird, dann bleibt das System einfach stehen. Dann ist die Magnetisierung ruhig.
Nur muss man diesen richtigen Moment erst einmal finden. Dazu haben die Nimwegener Forscher viel gerechnet, eine Menge Experimente gemacht – und schließlich eine Pulsform gefunden, die das Problem löst:
Was man weiß, ist, dass diese Pulsform bei dem Galliumarsenid in Kombination mit dem Laserpuls, dass die eine stark steigende Flanke hat und dann eine langsam abfallende Flanke. Eigentlich genau wie ein Sägezahn sieht der aus. Wir haben eine exponentielle Funktion genommen, aber eine Sägezahn wäre genauso gut. Damit machen wir das erste Experiment: Wir schlagen die Magnetisierung an, die Magnetisierung dreht sich, und in dem Moment, wo die Magnetisierung jetzt den maximalen Ausschlag zeigt, schalten wir diesen Restpuls ab.
Um den Restpuls abzuschalten, müssen die Forscher ein bisschen tricksen. Denn freiwillig klingt er nur immer weiter exponentiell, also ziemlich langsam ab. Darum bauen Gerrit und seine Kollegen einen zweiten Puls, der genau entgegengerichtet ist. Treffen beide Pulse aufeinander, löschen sie sich gegenseitig aus. Mit diesem Trick ist die Magnetisierung schon nach 350 Picosekunden wieder ruhig und der Speichervorgang abgeschlossen. Zum Vergleich: Selbst ein besonders schneller konventioneller RAM-Baustein braucht einige 1000 Picosekunden. Trotzdem ist der MRAM noch keine echte Konkurrenz. Um die steilen Flanken und das präzise Timing hinzubekommen, nutzen die Nimwegener Forscher Laser, die über Spiegel Fotodioden schalten. Für den Einsatz im PC ist dieser Aufbau noch viel zu kompliziert.
Magnet-RAM-Bausteine sollen dafür sorgen, dass Computerbenutzer sich in Zukunft nicht mehr die Haare raufen müssen, wenn der Strom ausfällt. Denn diese MRAMs sind nicht flüchtig, behalten ihren Inhalt also auch ohne Strom. Hugo van den Berg von der Uni Nimwegen erklärt, wie das funktioniert:
Sie kennen einen Dauermagnet. Und mit einem Feld ist man im Stande, die Magnetisierung umzudrehen. Dann hat man zwei stabile Zustände.
Jeder Zustand steht für einen gespeicherten Wert. Also zum Beispiel: Magnetisierung nach rechts für Null, nach links für Eins. Strom braucht man nur noch, um die Richtung zu ändern. Ein MRAM wird aus vielen Mini-Dauermagneten aufgebaut, die wie die Felder eines Schachbretts nebeneinander liegen. Der Strom, mit dem die Magnetisierung geändert werden soll, fließt durch Leiterbahnen, die wie Gitter über und unter dem Schachbrett liegen: Quer - unter jeder Zeile liegt eine Bahn und längs – über jeder Spalte eine weitere. So hat jede Zelle zwei Leitungen, die sich nur bei ihr kreuzen. Und nur, wenn durch beide Leitungen Strom fließt, wird die Zelle geschaltet. Dabei übernehmen die beiden Strompulse ganz unterschiedliche Funktionen:
Mit dem einen Puls wird das magnetische Element ge-biased, so nennt man das, also schon mal ein Feld in die Richtung anlegt, in die man das Element schalten möchte. Allerdings ist dieses Feld viel zu gering, als dass das Element schaltet. Was man jetzt macht, ist, dass der 2. Puls kommt. Und dieses Feld sorgt dafür, dass die Magnetisierung regelrecht aus dem Gleichgewicht getickt wird. Und das andere Feld, durch den Strom, den ich vorher angelegt habe, sorgt dafür, dass die Magnetisierung in die gewünschte Position kommt.
Erklärt van den Bergs Kollege Thomas Gerrits. Man kann sich einen Billardtisch vorstellen mit nur zwei Taschen, die sich diagonal gegenüber liegen – jede steht für eine Magnetisierungsrichtung. Durch den Biasstrom wird der Tisch so gekippt, dass die Zieltasche der tiefste Punkt wird. Die Kugel bleibt aber trotzdem in der Tasche, in der sie gerade liegt. Der zweite Strom, der Adressierungsstrom, ist eine Art Hebebühne in den Taschen: Er schiebt die Kugel auf den Tisch und deckt beide Taschen ab. Wie schnell die Kugel in der neuen Tasche landet, das hängt stark vom Adressierungsstrom ab. Denn: so lange der noch fließt, ist die Tasche zu. Die Kugel rollt über sie hinweg, prallt gegen die Bande und kullert erst einmal ein bisschen durch die Gegend, bis sie dann endlich irgendwann versinkt. Genau das ist bislang noch das Problem der MRAMS: Dieses Herumrollen macht sie langsam. Denn: Solange die Kugel noch rollt, kann der Bias nicht geändert werden – also kein anderes Speicherelement der selben Zeile angesprochen werden.
Die Lösung dieses Problems klingt eigentlich ganz einfach:
Wenn man diesen Magnetfeldpuls, den wir da durch die Leitung schicken, wenn der im richtigen Moment ausgeschaltet wird, dann bleibt das System einfach stehen. Dann ist die Magnetisierung ruhig.
Nur muss man diesen richtigen Moment erst einmal finden. Dazu haben die Nimwegener Forscher viel gerechnet, eine Menge Experimente gemacht – und schließlich eine Pulsform gefunden, die das Problem löst:
Was man weiß, ist, dass diese Pulsform bei dem Galliumarsenid in Kombination mit dem Laserpuls, dass die eine stark steigende Flanke hat und dann eine langsam abfallende Flanke. Eigentlich genau wie ein Sägezahn sieht der aus. Wir haben eine exponentielle Funktion genommen, aber eine Sägezahn wäre genauso gut. Damit machen wir das erste Experiment: Wir schlagen die Magnetisierung an, die Magnetisierung dreht sich, und in dem Moment, wo die Magnetisierung jetzt den maximalen Ausschlag zeigt, schalten wir diesen Restpuls ab.
Um den Restpuls abzuschalten, müssen die Forscher ein bisschen tricksen. Denn freiwillig klingt er nur immer weiter exponentiell, also ziemlich langsam ab. Darum bauen Gerrit und seine Kollegen einen zweiten Puls, der genau entgegengerichtet ist. Treffen beide Pulse aufeinander, löschen sie sich gegenseitig aus. Mit diesem Trick ist die Magnetisierung schon nach 350 Picosekunden wieder ruhig und der Speichervorgang abgeschlossen. Zum Vergleich: Selbst ein besonders schneller konventioneller RAM-Baustein braucht einige 1000 Picosekunden. Trotzdem ist der MRAM noch keine echte Konkurrenz. Um die steilen Flanken und das präzise Timing hinzubekommen, nutzen die Nimwegener Forscher Laser, die über Spiegel Fotodioden schalten. Für den Einsatz im PC ist dieser Aufbau noch viel zu kompliziert.