Energiediät für Arbeitsspeicher Temporärer Speicher dank Platinschicht

Der Prototyp des neuen Speicherchips besteht aus einer dünnen Chromoxid-Schicht zum Speichern, auf der eine ultradünne Platinschicht zum Auslesen aufgebracht wird.
Der Prototyp des neuen Speicherchips besteht aus einer dünnen Chromoxid-Schicht zum Speichern, auf der eine ultradünne Platinschicht zum Auslesen aufgebracht wird.

Ohne Arbeitsspeicher kann ein Rechner nicht funktionieren. Heute übliche elektrische Speicherchips haben jedoch einen hohen Energiebedarf. Forscher aus Dresden und Basel haben nun die Grundlagen eines neuartigen Konzepts für Speicherchips geschaffen: Sie setzten den Arbeitsspeicher auf Energiediät.

Bei den derzeit üblichen rein elektrischen Speicherchips handelt es sich um flüchtige Speicher. Sie müssen ihren Zustand permanent erneuern, was laut Tobias Kosub, Erstautor der Studie und Post-Doc am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) viel Energie benötigt. Die Folgen bekommen unter anderem Rechenzentren zu spüren. Mit steigender Leistung wachsen auch ihre Stromrechnungen und die Chips heizen sich aufgrund ihres Energiebedarfs immer stärker auf. Den Datenzentren fällt es schwer, die Hitze abzuführen. Um dem Problem entgegenzuwirken gehen manche Cloud-Betreiber sogar soweit, dass sie ihre Rechnerfarmen in kalten Regionen errichten.

Doch es gibt eine Alternative zu den elektrischen Speicherchips: MRAMs (Magnetoresistive Random Access Memory) speichern ihre Daten magnetisch und müssen somit nicht ständig aufgefrischt werden. Um die Daten in die Speicher zu schreiben, braucht es jedoch relativ große Ströme. Durch die hohen Ströme wird allerdings die Zuverlässigkeit minimiert. »Kommt es beim Schreib- oder Leseprozess zu Störungen, drohen sie vorschnell zu verschleißen und kaputtzugehen«, erläutert Kosub ein weiteres Risiko der MRAMs.

Elektrische Spannung statt Strom

Die Fachwelt tüftelt nun schon länger an MRAM-Alternativen. Besonders aussichtsreich erscheint eine Materialklasse namens magnetoelektrische Antiferromagnete. Statt durch Strom werden sie durch elektrische Spannung aktiviert. Laut Dr. Denys Makarov, HZDR-Gruppenleiter, lassen sich die Materialien jedoch nicht ohne weiteres ansteuern. »Es ist schwierig, sie mit Daten zu beschreiben und wieder auszulesen«, erläutert Makarov. Bisher wurde angenommen, dass magnetoelektrischen Antiferromagneten nur indirekt über Ferromagneten auslesbar sind, was viele der Vorteile wieder zunichtemacht. Das Ziel ist es also, einen rein antiferromagnetischen magnetoelektrischen Speicher (AF-MERAM) zu erzeugen.

Genau das ist den Forscherteams aus Dresden und Basel nun gelungen. Sie entwickelten einen AF-MERAM-Prototypen auf der Basis einer hauchdünnen Schicht aus Chromoxid. Sie ist zwischen zwei nanometerdünnen Elektroden eingepasst. Wird an die Schicht eine Spannung angelegt, wird das Chromoxid in einen anderen magnetischen Zustand »gekippt« – das Bit ist geschrieben. Dabei genügt eine Spannung von wenigen Volt. »Gegenüber anderen Konzepten konnten wir die Spannung um den Faktor 50 reduzieren«, erläutert Kosub. »Dadurch können wir ein Bit schreiben, ohne dass das Bauteil viel Energie verbraucht und sich aufheizt.« Eine besondere Herausforderung lag darin, das eingeschriebene Bit wieder auslesen zu können.

Dazu brachten die Physiker eine nanometerfeine Platinschicht auf dem Chromoxid an. Das Platin ermöglicht das Auslesen über ein spezielles elektrisches Phänomen – den anomalen Hall-Effekt. Das eigentliche Signal ist sehr klein und wird durch Störsignale überlagert. Doch die Forscher konnten eine Methode entwickeln, die das Gewitter der Störsignale unterdrückt und es erlaubt, an das Nutzsignal heranzukommen.

»Bislang funktioniert das Material zwar bei Raumtemperatur, aber nur in einem kleinen Fenster«, erläutert Kosub. Doch der Bereich soll deutlich erweitert werden, indem das Chromoxid gezielt verändern wird. Einen wichtigen Beitrag dazu liefern die Kollegen des Swiss Nanoscience Institute und der Abteilung Physik an der Universität Basel. Sie haben eine neue Methode entwickelt, mit der sich die magnetischen Eigenschaften des Chromoxids zum ersten Mal auf der Nanoskala abbilden lassen. Ferner wollen die Experten mehrere Speicherelemente auf einem Chip integrieren. Bislang wurde nur ein einzelnes Element realisiert, mit dem sich lediglich ein Bit speichern lässt. Der nächste Schritt – und ein wichtiger zu einer möglichen Anwendung – ist es, ein Array aus mehreren Elementen zu konstruieren. »Im Prinzip ließen sich solche Speicherchips mit den üblichen Verfahren der Computerhersteller fertigen«, sagt Makarov. Somit ist das Verfahren auch für die Industrie von großem Interesse.