Nanospeicher mit »rasenden« Datenbits

Das von IBM erforschte Speicherprinzip kommt ohne bewegliche Teile aus und könnte die Vorteile von Flash-Speicher mit den niedrigen Kosten von Festplatten kombinieren. Allerdings liegt der praktische Einsatz noch zehn Jahre in der Zukunft.

Das von IBM erforschte Speicherprinzip kommt ohne bewegliche Teile aus und könnte die Vorteile von Flash-Speicher mit den niedrigen Kosten von Festplatten kombinieren. Allerdings liegt der praktische Einsatz noch zehn Jahre in der Zukunft.

In der aktuellen Ausgabe von Science beschreiben IBM-Fellow Dr. Stuart Parkin und seine Kollegen vom Almaden Research Center, USA, einen bedeutenden Schritt in der Entwicklung eines neuen Speicherverfahrens. Innerhalb der nächsten zehn Jahre könnte die Technologie zum Einsatz kommen und neue Größenordnungen von Speicherkapazitäten eröffnen, ein extrem schnelles Einschalten von elektronischen Geräten ermöglichen und dabei wesentlich kostengünstiger, energieeffizienter und robuster sind als heutige Systeme.

Das Konzept beruht auf der Speicherung von Informationen in Form von winzigen, gegensätzlich magnetisierten Regionen (Domänen) in einem Nanodraht. Bei der herkömmlichen als Speichermedium verwendeten Festplatte werden das Medium und ein Schreib-/Lesekopf bewegt, um Daten zu lesen, zu schreiben oder zu löschen. Anders beim Nanodraht: Hier werden die magnetischen Domänen zu den zentralen Lese- und Schreibeinheiten, die in der Mitte des Nanodrahtes angebracht sind, hin verschoben – und dies mit extrem hoher Geschwindigkeit. Die gespeicherten Datenbits scheinen durch den Datenleiter zu „rasen“, daher der Name „Racetrack“.

Da ein einzelner Draht nur wenige Nanometer groß ist und zwischen 10 und 100 bit speichern kann, erlaubt die Technologie extrem hohe Speicherdichten. Im Vergleich zu Flash-Speichern könnte ein „Racetrack-Speicher“ eine 100-mal größere Datenmenge auf derselben Fläche aufzeichnen. Ebenso wie Flash benötigt das Verfahren keine beweglichen Teile, wodurch nahezu keine Abnutzungs- oder Verschleißerscheinungen auftreten. Das macht den „Racetrack-Speicher“ widerstandsfähiger als alle existierenden Speichertechnologien und verleiht ihm eine quasi unbegrenzte Lebensdauer.

Magnetische Muster durchlaufen Nanodraht Prinzipiell beruht die „Racetrack“- Technik auf der Speicherung von Daten in winzigen magnetischen Regionen innerhalb eines Datenleiters. Als Datenleiter verwenden die Forscher kleine Nanodrähte, die magnetisch mit Informationen beschrieben werden. Die Drähte werden der Länge nach waagerecht oder in Form einer Schlaufe senkrecht auf einer Siliziumfläche angebracht. Wenn eine Spannung angelegt wird, bewegen sich dabei weder die Drähte noch das Silizium, sondern nur die magnetischen Domänenwände, in denen die Information gespeichert wird.

Bisher war die Manipulation von Domänenwänden nur durch kostspielige und energieintensive Verfahren möglich. Beim neuen Verfahren werden die Domänenwände durch einen spinpolarisierten Strom bewegt, der die Magnetisierung in der Wand drehen kann. Ursache hierfür ist der Spintransfer-Effekt, der die Speichertechnologie erheblich vereinfacht, weil der Strom direkt durch die Domänenwände fließt und keine zusätzlichen Magnetfelder generiert werden müssen. Jede magnetische Domäne, die ein Bit repräsentiert, verfügt über einen „Head“, einen magnetischen Nordpol, und einen „Tail“, einen magnetischen Südpol. Die Domänenwände, die sich an den Grenzflächen formen, wechseln sich so im Datenleiter zwischen „head to head“- und „tail to tail“-Konfigurationen ab. Die Abstände zwischen zwei hintereinander folgenden Domänenwänden gleichen der Bit-Länge und werden durch Markierungen entlang des Nanodrahtes, so genannte Pinningzentren, bestimmt. In ihrem Experiment verwendeten die Forscher Nanodrähte aus Permalloy (einer FeNi-Legierung) und zeigten, wie sie Domänenwände gezielt erzeugen, verschieben und auslesen, indem sie Strompulse von präzise kontrollierter Dauer im Nanosekundenbereich verwenden. Der Schreib- und Verschiebezyklus benötigt gerade mal einige 10 Nanosekunden.

Ziel ist es, viele Tausende dieser Nanodraht-Speicher, die zwischen 10 und 100 bit speichern können, dicht auf einer Fläche anzuordnen. Die senkrechte Anordnung von Nanodrähten eröffnet zudem neuartige dreidimensionale Architekturen – ein Paradigmenwechsel im Vergleich zu derzeitigen zweidimensionalen Chip- und Speichertechnologien. Die Ausnutzung der dritten Dimension schafft neue Spielräume für Leistungssteigerungen und Kostenreduktionen.

Joachim Kroll, Elektronik