CD-Labor for Nichtflüchtige magnetisch-resistive Speicher und Logik

Die kontinuierliche Miniaturisierung von Halbleiterbauelementen geht mit einer enormen Steigerung des Stromverbrauchs auch im Standby-Modus einher. Dieses CD-Labor erforscht alternative, magnetoresistive Speicherformen als energiesparenden Ansatz.

Die kontinuierliche Miniaturisierung von Halbleiterbauelementen war eine der treibenden Kräfte bei der Steigerung von Geschwindigkeit und Leistungsfähigkeit von modernen elektronischen Schaltkreisen und ist bekannt als Moores Gesetz. Wegen der geringen Bauelementgrößen und des steigenden Leckstroms wächst jedoch der Energieverbrauch im Bereitschaftsbetrieb und wird vergleichbar mit dem im aktiven Betrieb, wodurch nun eine Grenze der Miniaturisierung erreicht zu sein scheint. Weiters ist eine hohe Leistung in großen Rechenzentren nicht nur für eine effiziente Datenverarbeitung, sondern auch für die Speicherdatenübertragung erforderlich. All dies läuft den weltweiten Bemühungen, den Stromverbrauch zu senken, entgegen und neue Ansätze sind dringend erforderlich. In Bezug auf die Reduktion des Stromverbrauchs im Bereitschaftsbetrieb ist Nichtflüchtigkeit im Hauptspeicher und in den Caches, das sind schnelle Puffer-Speicher, eine sehr attraktive Lösung. Als nichtflüchtige Datenspeicher werden verschiedene Datenspeicher bezeichnet, deren gespeicherte Informationen auch dann erhalten bleibt, wenn der Rechner nicht in Betrieb ist oder nicht mit Strom versorgt wird. Beispiele sind Festplatten, CDs, DVDs, Flash-Speicher, oder eben magnetisch-resistive Speicher. Geräte, die solche Speicher nutzen, sind sofort nach dem Einschalten betriebsbereit und müssen nicht erst die zum Betrieb notwendigen Daten von einem Festspeicher in den Arbeitsspeicher laden; der damit verbundene Energiebedarf entfällt.

Magnetische Tunnelkontakte sind solche magnetoresistiven Speicher und gelten als hervorragende Kandidaten für die Realisierung der energiesparenden Ansätze. Sie werden in Dünnschichttechnologie gefertigt, wobei die einzelnen Schichten mit etwa 1 nm oder weniger, nur wenige Atomlagen dick sind. Die Magnetisierung kann dauerhaft auf „0“ oder „1“ gepolt werden und somit unabhängig von der Stromzufuhr Daten speichern. Sie haben eine einfache Struktur, lange Retentionszeit, hohe Dauerleistung und schnelle Betriebsgeschwindigkeit und ermöglichen eine hohe Integrationsdichte. Die Integrationsdichte bezeichnet die Anzahl an Transistoren pro Flächeneinheit auf integrierten Schaltkreisen.

Für einen ultimativen Erfolg von magnetoresistenten Speichern ist es besonders wichtig, sie in den Hauptspeicher und die Caches einzubauen. Allerdings beeinträchtigen hohe Schaltströme und energieintensive Schreib-Operationen die Vorteile der Nichtflüchtigkeit. Ansätze zur Lösung des Problems umfassen vertikal angeordnete magnetische Tunnelkontakte, Entkoppelung von Schreib- und Lese-Pfaden, Steuern der Magnetisierung durch Spannung und Verwendung neuer Materialien. Es gibt derzeit jedoch keine Simulations-Software für magnetoresistente Speicher, wie es sie mit TCAD (technology computer-aided design) in der Halbleitersimulation gibt. Der Mangel an Modellen und Simulatoren bremst die breite Anwendung der nichtflüchtigen Technologie. Dieses CD-Labor wird nun die zentralen Simulationsmöglichkeiten für den Erfolg des magnetoresistiven Speicherelements entwickeln und wird damit als Schlüsselspieler für die zukünftigen Generationen von elektronischen Geräten dienen.