Magnetischer Speicher mit energieeffizientem MRAM freigeschaltet

Forscher der Universität Osaka stellen innovative Technologie zur Senkung des Energieverbrauchs moderner Speichervorrichtungen vor.

Fortschritt in der Speichertechnologie: Überwindung der Grenzen traditioneller RAM

Osaka, Japan – In den letzten Jahren sind zahlreiche Speichertypen für Rechengeräte entstanden, die darauf abzielen, die Einschränkungen des traditionellen Random-Access-Memory (RAM) zu überwinden. Magnetoresistiver RAM (MRAM) ist einer dieser Speichertypen, der im Vergleich zu herkömmlichem RAM mehrere Vorteile bietet, darunter Nichtflüchtigkeit, hohe Geschwindigkeit, größere Speicherkapazität und verbesserte Haltbarkeit. Obwohl bei MRAM-Geräten bemerkenswerte Fortschritte erzielt wurden, bleibt die Reduzierung des Energieverbrauchs beim Schreiben von Daten eine zentrale Herausforderung.

Platz für energieeffizienten MRAM schaffen

Eine kürzlich in der Fachzeitschrift Advanced Science veröffentlichte Studie von Forschern der Universität Osaka schlägt eine neue Technologie für MRAM-Geräte mit energieärmerem Daten-Schreiben vor. Diese Technologie ermöglicht ein auf elektrischen Feldern basierendes Schreibverfahren, das im Vergleich zum derzeitigen strombasierten Ansatz weniger Energie verbraucht und eine potenzielle Alternative zu herkömmlichem RAM darstellt.

MRAM vs. DRAM: Ein Paradigmenwechsel in der Speichertechnologie

Konventionelle Dynamic-RAM-Geräte (DRAM) haben grundlegende Speichereinheiten, die aus Transistoren und Kondensatoren bestehen. Die gespeicherten Daten sind jedoch flüchtig, was bedeutet, dass Energiezufuhr erforderlich ist, um die Daten aufrechtzuerhalten. Im Gegensatz dazu verwendet MRAM magnetische Zustände, wie die Ausrichtung der Magnetisierung, um Daten zu schreiben und zu speichern, was eine nichtflüchtige Datenspeicherung ermöglicht.

„Da MRAM-Geräte auf einem nichtflüchtigen Magnetisierungszustand und nicht auf einem flüchtigen Ladungszustand in Kondensatoren basieren, sind sie eine vielversprechende Alternative zu DRAM in Bezug auf ihren niedrigen Energieverbrauch im Standby-Zustand“, erklärt Takamasa Usami, Hauptautor der Studie.

Hindernisse beim strombasierten MRAM-Schreiben

Aktuelle MRAM-Geräte erfordern in der Regel einen elektrischen Strom, um die Magnetisierungsvektoren magnetischer Tunnelübergänge umzuschalten, was mit dem Umschalten der Ladungszustände eines Kondensators in einem DRAM-Gerät vergleichbar ist. Allerdings ist ein großer elektrischer Strom notwendig, um die Magnetisierungsvektoren während des Schreibvorgangs umzuschalten. Dies führt zu unvermeidlicher Joule-Erwärmung und damit zu einem erhöhten Energieverbrauch.

Einführung der elektrischen Feldsteuerung mit multiferroischen Heterostrukturen

Um dieses Problem zu lösen, haben die Forscher eine neue Komponente für die Steuerung von MRAM-Geräten mittels elektrischer Felder entwickelt. Die Schlüsseltechnologie ist eine multiferroische Heterostruktur mit Magnetisierungsvektoren, die durch ein elektrisches Feld umgeschaltet werden können. Die Reaktion der Heterostruktur auf ein elektrisches Feld wird im Wesentlichen durch den Koeffizienten der umgekehrten magnetoelektrischen (CME) Kopplung charakterisiert; größere Werte zeigen eine stärkere Magnetisierungsreaktion an.

Erreichen zuverlässiger magnetischer Anisotropie mit Vanadium-Schichten

Die Forscher berichteten zuvor über eine multiferroische Heterostruktur mit einem großen CME-Kopplungskoeffizienten von über 10−5 s/m10^{-5} \, \text{s/m}10−5s/m. Strukturelle Schwankungen in Teilen der ferromagnetischen Schicht (Co₂FeSi) erschwerten jedoch das Erreichen der gewünschten magnetischen Anisotropie, was eine zuverlässige Steuerung durch elektrische Felder verhinderte. Um die Stabilität dieser Konfiguration zu verbessern, entwickelten die Forscher eine neue Technologie zur Einführung einer ultradünnen Vanadiumschicht zwischen der ferromagnetischen und der piezoelektrischen Schicht. Wie in Abbildung 2 gezeigt, wurde durch das Einfügen der Vanadiumschicht eine klare Grenzfläche erreicht, die eine zuverlässige Kontrolle der magnetischen Anisotropie in der Co₂FeSi-Schicht ermöglicht. Zudem erreichte der CME-Effekt einen Wert, der größer war als bei ähnlichen Geräten ohne Vanadiumschicht.

Die Forscher demonstrierten außerdem, dass zwei unterschiedliche magnetische Zustände zuverlässig bei Null elektrischem Feld realisiert werden können, indem der Wischvorgang des elektrischen Feldes variiert wird. Dies bedeutet, dass ein nichtflüchtiger binärer Zustand gezielt bei Null elektrischem Feld erreicht werden kann.

„Durch die präzise Kontrolle der multiferroischen Heterostrukturen werden zwei wesentliche Anforderungen für die Implementierung praktischer magnetoelektrischer (ME)-MRAM-Geräte erfüllt: ein nichtflüchtiger binärer Zustand bei Null elektrischem Feld und ein gigantischer CME-Effekt“, sagt Kohei Hamaya, Hauptautor der Studie.

Forschung für die Entwicklung praktischer MRAM-Geräte

Diese Forschung im Bereich spintronischer Geräte könnte letztendlich in praktischen MRAM-Geräten implementiert werden, was es Herstellern ermöglichen würde, ME-MRAM zu entwickeln – eine energiesparende Schreibtechnologie für eine Vielzahl von Anwendungen, die eine dauerhafte und sichere Speicherlösung erfordern.

Förderung konsistenter und sicherer Technologien für energiesparendes Schreiben

Diese Forschung im Bereich spintronischer Geräte könnte letztendlich in praktischen MRAM-Geräten implementiert werden, was es Herstellern ermöglichen würde, ME-MRAM zu entwickeln – eine energiesparende Schreibtechnologie für eine Vielzahl von Anwendungen, die eine dauerhafte und sichere Speicherlösung erfordern.