Magnetoresistive Random Access Memory

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Magnetoresistive Random Access Memory (MRAM) ist eine nichtflüchtige Speichertechnik, die seit den 1990er Jahren entwickelt wird.

Funktionsprinzip[Bearbeiten]

Schematischer Aufbau einer MRAM-Speicherzelle

Im Gegensatz zu herkömmlichen Speichertechniken, wie das DRAM oder SRAM, werden die Informationen nicht mit elektrischen, sondern mit magnetischen Ladungselementen gespeichert, das heißt, es wird die Eigenschaft bestimmter Materialien ausgenutzt, die ihren elektrischen Widerstand unter dem Einfluss magnetischer Felder ändern. Prinzipiell können verschiedene Wirkmechanismen angewandt werden:

Letztere ist derzeit die favorisierte Technik für die Entwicklung magnetoresistiver RAMs.

Der Vorteil der MRAM-Technik liegt darin, dass sie nichtflüchtig ist, das heißt, die Chips behalten ihre gespeicherten Daten auch nach dem Abschalten der Energieversorgung. Damit können elektronische Geräte, wie z. B. Computer, realisiert werden, die sofort nach dem Einschalten betriebsbereit sind und nicht erst die zum Betrieb notwendigen Daten von einem Festspeicher, etwa einer Festplatte, in den Arbeitsspeicher laden müssen. Im Gegensatz zu etablierten nichtflüchtigen Speichertechniken, wie Flash, können MRAMs wie herkömmlicher DRAM/SRAM praktisch unendlich oft beschrieben werden. Schreib- und Lesezugriffszeiten werden im Bereich von DRAM bis SRAM liegen. MRAM soll so die Vorteile der verschiedenen etablierten Speichertechniken kombinieren und dadurch das Potential zum so genannten „Universal Memory“ aufweisen, der DRAM, SRAM und Flash ersetzen könnte.

Derzeit (Stand August 2012) ist die Firma Everspin Technologies der einzige kommerzielle Anbieter von MRAM-Speicherchips. Everspin verwendet bis 16 Mbit die TMR-Technik in der sogenannten „Toggle Write“-Variante.[1] Dabei wird das magnetische Bit durch das Magnetfeld zweier externer Schreibleitungen gesetzt, in deren Kreuzungspunkt sich das Magnetfeld addiert und somit eine Stärke erreicht, mit der die magnetische Polarisation der Zelle geändert wird. Für Anfang 2013 ist die Einführung von sogenannten „Spin Torque“-Bausteinen angekündigt.[2] Hier wird die Polarisation der Zelle mithilfe eines Stroms geändert, der durch die Zelle fließt. Die Spin-Torque-Technik ermöglicht die Produktion von MRAM in kleineren Strukturgrößen und gilt daher als zukunftsträchtig. Fast alle anderen großen Speicherhersteller wie Samsung, Hynix etc. haben angekündigt, in die MRAM-Entwicklung und -Fertigung zu investieren.

Anwendung[Bearbeiten]

Aufgrund des hohen Preises findet MRAMs seit 2008 in erster Linie Verwendung in industriellen Systemen, um kritische Datenverluste zu verhindern. Typische Applikationen sind speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), POS/Electronic Cash, GPS-Tracker oder als Cache in Serversystemen. Auch in der Luft- und Raumfahrt sind MRAMs aufgrund ihrer hohen Strahlungsfestigkeit vermehrt im Einsatz. Erste Verwendung fanden MRAM-Speicher auch in Spielautomaten, um batteriegepufferte SRAM-Speicher zu ersetzen.

Geschichte[Bearbeiten]

  • 1989 – IBM-Wissenschaftler machten eine Reihe von Schlüsselentdeckungen über den „GMR-Effekt“ in dünnen Filmstrukturen.
  • 2000 – IBM und Infineon gründeten das Joint MRAM Development Program.
  • 2002 – NVE kündigten einen Technologieaustausch mit Cypress Semiconductor an.

Im Sommer 2003 wurde ein 128-Kilobit-MRAM-Chip vorgestellt, der mit der 0,18-Mikrometer-Technik gefertigt wurde[3].

Im Juni 2004 hat die Firma Infineon den ersten 16-Megabit-MRAM-Baustein, ebenfalls in 0,18-µm-Technik, vorgestellt[4]

Ende 2004 hat Freescale Semiconductor (ehemals Motorola Semiconductor) mit der Auslieferung von 4-Mbit-Prototypen (0,18 µm) begonnen. Nach jahrelanger Forschung und Entwicklung und einer langen Bemusterungsphase soll bei Freescale nun die Serienfertigung des 4-Mbit-MRAMs MR2A16A anlaufen. Dieser Speicherchip ist im Vergleich zu SDR- oder DDR-SDRAMs mit etwa 25 US-Dollar sehr teuer, was seinen Einsatzbereich stark einschränkt. Ein Lese-/Schreibzyklus dauert 35 ns, also um ein Vielfaches länger als bei SDRAM oder gar neueren RAM-Technologien.

Im Rahmen eines Management Buy Outs wird Freescales MRAM-Technik nun von Everspin Technologies produziert und vertrieben. Es sind verschiedene Produkte lieferbar, die sich sowohl in Gesamtspeichergröße (256 kByte bis 16 MByte) als auch in Speicherwortbreite unterscheiden (8 Bit bzw. 16 Bit).[5]

Die Serienfertigung des MRAMs wurde von verschiedenen Firmen (IBM, Infineon, Motorola) bereits für die Jahre 2004/2005 angekündigt. Viele renommierte Unternehmen haben sich wegen Problemen in der Massenproduktion der Chips vollständig aus diesem Zweig zurückgezogen oder haben die Serienreife auf das Ende des Jahrzehnts verschoben. Aufgrund der Kostenposition und Größenordnung war MRAM bisher eher für Nischenapplikationen geeignet. Mit Einführung der Spin-Torque-MRAMs (ST-MRAM) ist zu erwarten, dass MRAMs in den kommenden Jahren größere Marktanteile gewinnen.

Weblinks[Bearbeiten]

Fußnoten und Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. http://everspin.com/technology.php?qtype=3
  2. http://everspin.com/technology.php?qtype=4
  3. Christof Windeck: IBM und Infineon verkünden Fortschritte bei MRAM. In: Heise-Online. 10. Juni 2003, Abgerufen am 26. August 2009.
  4. Christof Windeck: VLSI Symposium: Viele neue (M)RAM-Typen. In: Heise-Online. 15. Juni 2004, Abgerufen am 26. August 2009.
  5. Everspin Technologies - MRAM-Produktpalette