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Durchbruch für MRAMs?

SOT-MRAMS ersetzen Cache-Speicher

6. Februar 2025, 7:51 Uhr | Heinz Arnold

Prof. Dr. Mathias Kläui, der Projektkoordinator an der JGU: »Die Ergebnisse dieser Zusammenarbeit sind nicht nur aus grundlagenwissenschaftlicher Sicht spannend, sondern sie haben direkte Auswirkungen auf die Industrie und Green IT.«

Durchbruch im Bereich nichtflüchtiger Speicher-ICs wollen ein Team der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz und der französischen Antaios erreicht haben: Ein neuer Typ von MRAMs könnte Cache-Speicher ersetzen.

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Sie haben einen Prototypen auf Basis der Spin-Orbit-Torque-MRAMs (SOT-MRAMs) erstellt, der elektrische Ströme nutzt, um magnetische Zustände umzuschalten, was eine zuverlässige Datenspeicherung ermöglicht.

»Dieser Prototyp ist einzigartig und könnte die Datenspeicherung und -verarbeitung revolutionieren. Er entspricht nicht nur den globalen Zielen zur Senkung des Energieverbrauchs, sondern ebnet auch den Weg für schnellere und effizientere Speicher«, sagt Dr. Rahul Gupta, ehemaliger Postdoktorand am Institut für Physik der JGU, wo er die Arbeiten betreut hat, und Erstautor der Studie.

Eine der größten Herausforderungen besteht darin, den hohen Eingangsstrom, der während des Schreibvorgangs erforderlich ist, zu reduzieren und gleichzeitig die industrielle Kompatibilität zu gewährleisten. Dazu gehört es auch, für eine ausreichende thermische Stabilität zu sorgen, um die Daten mehr als zehn Jahre lang speichern zu können, und die Energieaufnahme zu minimieren, die für die Speicheraufgaben erforderlich ist.

Im Gegensatz zu bisherigen MRAM-Ansätzen haben die Forscher der JGU und von Antaios die Orbitalströme berücksichtigt und ein einzigartiges magnetisches Material entwickelt, das Elemente wie Ruthenium als SOT-Kanal enthält, um die Leistungsfähigkeit deutlich zu steigern.

Das sind die Vorteile:

Senkung der Gesamtenergieaufnahme um über 50 Prozent im Vergleich zu bestehenden Speichertechnologien im industriellen Maßstab
Steigerung der Effizienz um 30 Prozent, was eine schnellere und zuverlässigere Datenspeicherung ermöglicht
Verringerung des Eingangsstroms, der für die magnetische Umschaltung zur Datenspeicherung erforderlich ist, um 20 Prozent
Erreichen eines thermischen Stabilitätsfaktors, der eine Lebensdauer der Datenspeicherung von mehr als zehn Jahren gewährleistet.

Das Geheimnis – der Orbitaler Hall-Effekt

Der Durchbruch macht sich ein Phänomen zunutze, das als Orbitaler Hall-Effekt (OHE) bekannt ist. Damit erreichen die neuen MRAMs eine bisher nicht gekannte Energieeffizienz, ohne auf seltene oder teure Materialien angewiesen zu sein.

Bisher beruht SOT-MRAM auf der Spin-Eigenschaft von Elektronen, wobei Ladungsstrom über den Spin-Hall-Effekt in Spin-Strom umgewandelt wird. Dieser Prozess erfordert Elemente mit hoher Spin-Bahn-Kopplung, in der Regel seltene, teure, oft umweltschädliche Materialien mit hoher Ordnungszahl wie Platin und Wolfram. »Im Gegensatz dazu macht sich unser Ansatz ein neuartiges grundlegendes Phänomen zunutze, indem er Orbitalströme verwendet, die von Ladungsströmen durch den Orbital-Hall-Effekt abgeleitet sind, wodurch die Abhängigkeit von teuren und seltenen Materialien entfällt«, sagt Rahul Gupta. Zudem sei das SOT-MRAM skalierbar und es leiße sich einfach in die bestehende Alltagstechnologie integrieren.

Diese Forschung ist ein Beispiel dafür, wie Wissenschaft und Innovation einige der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit angehen können. Angesichts des weltweit stetig steigenden Energieverbrauchs zeigen Durchbrüche wie dieser, wie Technologie zu einer nachhaltigeren Zukunft beitragen kann.

Erfolgreiche Industriekooperation

»Wir haben einen neuen physikalischen Mechanismus entdeckt, der die Entwicklung effizienterer Technologien ermöglicht. Die Ergebnisse dieser Zusammenarbeit sind nicht nur aus grundlagenwissenschaftlicher Sicht spannend, sondern sie haben direkte Auswirkungen auf die Industrie und Green IT haben«, sagt Prof. Dr. Mathias Kläui, der Projektkoordinator an der JGU, über die erfolgreiche Zusammenarbeit mit dem Team von Dr. Marc Drouard von Antaios in Frankreich.

Die Studie wurde kürzlich in Nature Communications veröffentlicht und wurde vom Industriepartner Antaios, dem EU-Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 und Horizon Europe, dem Europäischen Forschungsrat, der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Norwegischen Forschungsrat unterstützt.