Racetrack-Memory

Revolutionäre Speichertechnologie aus der IBM Forschung rückt näher an Realisierung

„Racetrack-Memory“ eröffnet neue Dimensionen in Speicherdichte, Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit

San Jose, U.S.A., 11. April 2008 – IBM (NYSE: IBM) Forscher berichten im renommierten Wissenschaftsjournal Science über einen Durchbruch in der Erforschung einer neuen Speichertechnologie, die unter dem Namen „Racetrack“ (z. Dt. Rennstrecke) bekannt geworden ist. Die Technologie könnte eine neue Klasse von Speichern hervorbringen, die die hohe Leistungsfähigkeit von Flash-Speichern mit der grossen Kapazität und den niedrigen Kosten von Festplattenspeichern auf sich vereint.

In der aktuellen Ausgabe von Science beschreiben IBM Fellow Stuart Parkin und seine Kollegen vom Almaden Research Center, U.S.A., einen bedeutenden Schritt in der Entwicklung von Speicherbausteinen auf Basis des „Racetrack-Verfahrens“. Innerhalb der nächsten 10 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 als heutige Systeme sein.

Universalspeicher der Zukunft
Das revolutionäre 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 „Racetrack-Verfahren“: 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 „Racetrack“ nur wenige Nanometer gross ist und zwischen 10 und 100 Bits 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. Das entspräche rund 500’000 Musiktiteln oder 3’500 Filmen. Durch den minimalen Stromverbrauch eines „Racetrack-Speichers“ könnte ein MP3 Gerät zudem wochenlang mit einer einzigen Batterie betrieben werden.

Darüber hinaus 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.

„Die Verbindung zwischen der Erforschung von neuen physikalische Phänomenen, die auf der molekularen und atomaren Ebene auftreten, und dem Nano-Engineering – der Fähigkeit, gezielt Materialstrukturen aus einzelnen Atomen und Molekülen zu erschaffen – birgt immer neue, spannende Herausforderungen“, erklärt Stuart Parkin. Er führt weiter aus: „Ein Ausschöpfen des Potenzials, das in unserer ‚Racetrack- Technologie’ liegt, könnte zu faszinierenden neuen Anwendungen führen – Anwendungen, die heute noch unvorstellbar sind.“

Bereits mehrmals in der Geschichte der IBM wurden durch radikale technische Innovationen, die in der Grundlagenforschung ihren Anfang nahmen, neue Märkte und Anwendungsfelder erschlossen. Hierzu zählen etwa der Memory Chip, die relationale Datenbank oder die Festplatte.

Die „Racetrack-Methode“
Seit rund 50 Jahren versuchen Wissenschaftler digitale Informationen durch so genannte magnetische Domänenwände – die Grenzflächen zwischen zwei gegensätzlich magnetisierten Regionen in einem magnetischen Material – zu speichern. Bis anhin war die Manipulation von Domänenwänden nur durch kostspielige, komplexe und energieintensive Verfahren möglich.

In ihrer nun veröffentlichten Arbeit „Current-Controlled Magnetic Domain-Wall Nanowire Shift Register“ demonstrieren Parkin und seine Teamkollegen eine neue, sehr effiziente Methode. Hierbei 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.

In der zweiten Arbeit „Magnetic Domain-Wall Racetrack Memory“ fassen die Forscher die Grundprinzipien der „Racetrack-Technologie“ zusammen. Diese beruht 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. Diese 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.

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 kreieren, verschieben und auslesen, indem sie Strompulse von präzise kontrollierter Dauer im Nanosekundenbereich verwenden. Der Schreib- und Verschiebezyklus benötigt gerade einmal einige 10 Nanosekunden.

Ziel ist es, viele Tausende dieser Nanodraht-Speicher, die zwischen 10 und 100 Bits 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, die nicht mehr nur – wie bis anhin – durch Miniaturisierung erzielt werden.

Quelle: IBM-Presseinfos