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MRAMs: Konventionelle Speichertechnologien vor der Ablösung?
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Die Speicherinformation wird in MRAMs nicht wie in etablierten Speicherbausteinen elektrisch, durch zugeführte oder entnommene Ladung generiert, sondern durch die Polarisation des magnetischen Feldes.
Das Konstruktionsprinzip der Chips basiert - vereinfacht dargestellt - auf zwei ferromagnetischen Ebenen, getrennt durch eine hauchdünne Isolatorschicht, die gemeinsam ein Sandwich mit einer Dicke von nur wenigen Nanometern bilden. Die Funktion der Chips resultiert aus der gezielten Polarisierung einer der beiden magnetischen Schichten. Die im Effekt gleichgerichtete oder entgegengesetzte Ausrichtung der beiden Schichten verändert den elektrischen Widerstand des Chips. Die zwei Widerstandszustände repräsentieren somit genau ein Bit. Aus dieser besonderen Konzeption und Bauart der Speicherbausteine resultiert eine ganze Reihe von Vorteilen gegenüber etablierten RAM-Chips aber auch anderen Speicherformen.
DRAMs (Dynamic Random Access Memory), wie sie beispielsweise als Arbeits- oder Grafikspeicher zum Einsatz kommen, bedürfen alle ca. 60 Millisekunden einen Impuls um ihren Speicherzustand zu erhalten. Fehlt dieser Refresh gehen alle gespeicherten Daten unweigerlich verloren. SRAM (Static Random Access Memory), der schnellste etablierte Speicher, der zum Beispiel für den Cache-Speicher der Prozessoren verwendet wird, braucht lediglich die angelegte Betriebsspannung. Aber auch SRAMs verlieren bei einer Unterbrechung der Stromzufuhr unweigerlich ihren Speicherzustand. MRAMs brauchen tatsächlich nur elektrische Impulse, um ihren Speicherzustand zu ändern, sind also im Gegensatz zu DRAMs und SRAMs nicht-flüchtige Speicher.
Aus diesem Umgang mit elektrischer Energie resultiert ein weiterer spezifischer Vorteil der MRAMs: Sie brauchen weniger Strom als gebräuchliche Speicher-Chips. Damit könnte die Einführung der MRAMs eine ähnliche Laufzeitverlängerung mobiler Geräte nach sich ziehen wie die Einführung der Lithium-Ionen bzw. -Polymer Akku-Technik vor wenigen Jahren.
Dem nicht-flüchtigen Flash-Speicher, wie er vor allem in mobilen Geräten zum Einsatz kommt, ist der MRAM in Punkto Geschwindigkeit weit überlegen. Das Problem der Flash-Speicher einer stark begrenzten Lebensdauer von maximal 1.000.000 Zyklen kennen die MRAMs nicht.
Die Zugriffszeiten für Lesen und Schreiben liegen bei den MRAMs der Firma Freescale bei ca. 35 Nanosekunden. Damit sind die Chips gut doppelt so schnell wie DRAMs, aber immer noch langsamer als SRAMs. Die stetige Weiterentwicklung der MRAMs lässt jedoch erwarten, dass die MRAMs alle etablierten Speichertechnologien in Sachen Geschwindigkeit überflügeln werden.
An der Forschung und Weiterentwicklung der MRAMs sind neben großen Technologieunternehmen wie beispielsweise Motorola, Philips, NEC, Hitachi, Mitsubishi, Toshiba, IBM und Infineon - bzw. deren Joint Ventures und Spin-offs - auch Forschungsträger der öffentlichen Hand beteiligt. So entwickelte die Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Braunschweig (PTB) im vergangenen Jahr ein neuartiges Bitansteuerungsverfahren zur Programmierung von MRAMs. Bisher schien die Entwicklung zu kürzeren Programmierzyklen als 10 ns unmöglich. Mit dem neuen Verfahren der PTB sind aber Zugriffszeiten von unter 500 Pikosekunden möglich. Damit können die MRAMs ohne weiteres mit den schnellsten Speicherchips konkurrieren.
Perspektiven
Freescale sieht die MRAMs mit diesen spezifischen Vorteilen prädestiniert für alle mobilen Geräte wie USB-Sticks, Digitalkameras, Mobiltelefone, Mediaplayer und PDAs. Schnelle Lese-/ Schreibzyklen und geringer Stromverbrauch sprechen genau dafür. Die Spezifika der MRAMs lassen unter bestimmten entwicklungstechnischen Voraussetzungen aber wesentlich weitreichendere Szenarien erhoffen, keinesfalls beschränkt auf Nischenapplikationen.
Sollten MRAMs, mit ihrer Fähigkeit auch nach dem Ausschalten ihren Speicherinhalt zu behalten, im großen Rahmen Einzug in Personal Computer halten, wären die Rechner unmittelbar nach ihrem Einschalten betriebsbereit. "Instant-On" würde freilich nicht nur den Umgang mit Computern angenehmer gestalten. Alle elektronischen Geräte, die heute eine recht kurze, aber immer als zu lang empfundene Zeit zur Initialisierung benötigen, könnten davon profitieren.
Die breite Einführung der MRAM-Technologie könnte aber auch erheblichen Einfluss auf die Computer-Architektur nehmen. Auf die "klassische" Aufgabenteilung zwischen verschiedenen Speichertypen in Computern - dauerhaften langsamen Datenspeichern einerseits und schnellen aber flüchtigen Speicherbausteinen andererseits - könnte verzichtet werden. Die MRAMs kommen perspektivisch der Idealvorstellung eines Universalspeichers ausgesprochen nah.
Konventionelle Speicher-Chips vor dem Aus?
Die großen Wettbewerber um die Einführung der neuen Speichertechnologie haben in den letzten Jahren immer wieder Innovationen und Prototypen neuer MRAMs vorgestellt. Während die ehrgeizigen Ziele für die Markteinführung der MRAMs von der Konkurrenz bisher verfehlt wurden, kann Freescale als erstes Unternehmen die Serienproduktion seiner Chips mit einer Kapazität von vier Mbit im seinem Werk in Arizona ankündigen. Dennoch sieht sich Freescale einer starken Konkurrenz ausgesetzt. Vielleicht kann gerade diese Konkurrenz eine zügige Weiterentwicklung dieser neuen Speichertechnologie weiter beschleunigen.
Die größte Hürde haben die MRAMs allerdings noch vor sich. Ihre Chancen sich auf dem Markt für Speicherchips durchzusetzen, lässt sich nicht nur aus Ihren spezifischen Vorteilen ableiten, sondern auch aus Ihrem Preis. Für einen breiten Markteinsatz sind die Freescale-Chips mit ca. 25 US-Dollar noch zu teuer. Der Preis resultiert unter anderem aus dem großen Platzbedarf des Speicherchips. Noch bedingt die Fertigungstechnik eine im Vergleich zu etablierten Speicherformen deutlich größere DIE-Fläche. Freescale hat aber bereits angekündigt, in Zukunft bei gleicher Skalierung in der Fertigungstechnik weniger Chip-Fläche in Anspruch zu nehmen als vergleichbare DRAMs oder SRAMs.
Nicht verschwiegen werden darf, das der MRAM nicht das einzige Modell eines universell einsetzbaren Speicherchips auf dem Weg zur Marktreife ist. Andere Technologien und Lösungen sollen zum gleichen Ziel führen. FRAM, ein weitläufig verwandter des MRAMs, Polymer-Speicher, Organic-RAM oder auch Intels "Ovonic-Unified-Memory-Technologie" (OUM) sind bis jetzt kaum mehr als Schlagworte entwicklungstechnischer Perspektiven. Im Moment hat der MRAM ganz klar die Nase vorn.
Bis Flash-Speicher, DRAMs und SRAMs veraltet sein werden, da sind sich aber alle einig, wird gewiss noch einige Zeit vergehen.
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