Neuer MRAM-Trick vereint Tempo von DRAM mit Haltbarkeit von Flash

Ein Team aus Taiwan und den USA hat ein magnetisches Speichermodul entwickelt, das Daten mit hoher Geschwindigkeit schreibt und über Jahre hinweg hält - und sich dennoch mit gängigen Halbleiterverfahren herstellen lässt.

Next-Gen-Speicher im Nanosekunden-Takt

In der Welt der Speicherchips gilt das alte Dreieck aus Tempo, Energiebedarf und Haltbarkeit als kaum auflösbar. Wer schnellen Zugriff will, braucht DRAM - wer Daten sicher ablegen will, greift zu Flash oder klassischen Festplatten. Doch beide Systeme haben Schwächen. Forschende der National Yang Ming Chiao Tung University (NYCU), TSMC, ITRI und Stanford University zeigen nun eine Lösung, die beides vereint: Spin-Orbit-Torque MRAM, kurz SOT-MRAM, basierend auf einer besonderen Form von Wolfram.

Das Prinzip: Elektrischer Strom in einer Metallschicht aus β-Wolfram erzeugt einen "Spin-Strom", der die Magnetisierung einer dünnen Ferromagnet-Schicht umkehrt - das ist der Schreibvorgang. Magnetischer Speicher ist natürlich keine neue Idee. Erste MRAM-Prototypen entstanden schon in den 1990er-Jahren, als Forscher versuchten, Daten in der Ausrichtung winziger magnetischer Domänen zu speichern - ähnlich wie bei Festplatten, nur auf Halbleiterebene. Der Vorteil: Die Information bleibt erhalten, auch wenn der Strom ausfällt. Doch die klassische MRAM-Technik nutzte zur Umschaltung Magnetfelder, die schwer zu kontrollieren und energieintensiv waren.

Alte Idee modern gedacht

Genau hier setzt die moderne Variante an: Spin-Orbit-Torque MRAM (SOT-MRAM) ersetzt diese Magnetfelder durch eine strominduzierte Drehbewegung der Elektronenspins - ein Effekt, der aus der Quantenphysik stammt. So kann die Magnetisierung direkt elektrisch umgeklappt werden - schneller, präziser und mit deutlich geringerem Energiebedarf.

Im Fachmagazin Nature Electronics berichten die Forschenden, dass sie erstmals eine 64-Kilobit-Matrix solcher Zellen unter industriekompatiblen Fertigungsbedingungen gebaut haben. Das Materialsystem hält bis zu 400 °C über zehn Stunden und kurzzeitig sogar 700 °C, also Temperaturen, wie sie beim "Back-End-of-Line"-Prozess der Chipfertigung üblich sind. Trotz dieser Belastung blieb die empfindliche β-Phase des Wolframs stabil - ein entscheidender Fortschritt, denn nur sie erzeugt die nötige Spin-Effizienz für schnelle Schaltvorgänge.

Wir wollten zeigen, dass sich SOT-MRAM mit Nanosekunden-Schaltzeit und langer Datenspeicherung auch mit heutigen Prozessen realisieren lässt

Es geht um jede Nanosekunde

Tatsächlich erreicht der Prototyp eine Schaltzeit von etwa einer Nanosekunde und eine Datenhaltedauer von über zehn Jahren. Die Angabe zur Datenhaltedauer basiert auf beschleunigten Alterungstests, bei denen Speicherzellen über Stunden und Tage bei hoher Temperatur betrieben werden. Aus dem Verhalten der Magnetisierung lässt sich dann statistisch ableiten, dass die Datenstabilität im Normalbetrieb weit über ein Jahrzehnt betragen dürfte.

Die Entwickler sehen darin mehr als nur einen Laborerfolg. "Unsere Ergebnisse zeigen, dass SOT-MRAM als On-Chip-Cache oder eingebetteter Speicher Energieverbrauch und Leistung in KI- und Edge-Systemen deutlich verbessern kann", sagt Huang. Solche Anwendungen verarbeiten große Datenmengen direkt auf dem Chip - jede gesparte Nanosekunde und jedes eingesparte Milliwatt zählen.

Klassische DRAM-Speicher müssen ihre Ladungszustände regelmäßig auffrischen, um Informationen nicht zu verlieren - dieser sogenannte Refresh-Zyklus läuft tausende Male pro Sekunde und kostet ständig Energie, selbst wenn der Rechner nichts tut. SOT-MRAM-Zellen behalten ihre Magnetisierung dauerhaft, sodass diese Hintergrundarbeit entfällt.

Zudem wird beim Schreiben nicht die gesamte Speicherzelle elektrisch aufgeladen, sondern nur der Spin-Zustand ihrer Elektronen kurzzeitig umgeklappt. Dadurch fällt der Energieverbrauch pro Schaltvorgang deutlich geringer aus - ein entscheidender Vorteil für Systeme, die Millionen Rechenoperationen pro Sekunde durchführen müssen. Infografik Halbleiter: Diese Branchen kaufen die meisten Computerchips

Skalierung jetzt erst denkbar

Langfristig könnte der Ansatz die Lücke zwischen Arbeitsspeicher und Flash schließen - ein nichtflüchtiger, schneller Zwischenspeicher, der sich in Prozessoren integrieren lässt. Noch handelt es sich um eine 64-kb-Demonstration, doch das Team arbeitet bereits an der Megabit-Klasse und an neuen Oxid- und 2D-Grenzflächen, um den Wirkungsgrad weiter zu erhöhen. Das Ziel: Den Energiebedarf pro Schreibvorgang auf unter ein Picojoule pro Bit zu senken - ein Wert, der SOT-MRAM auch für mobile Endgeräte interessant machen würde.

Wenn diese Skalierung gelingt, hat SOT-MRAM das Potenzial, in wenigen Jahren zum Standard für energieeffiziente Speicher in mobilen und KI-Systemen zu werden. Dass der Durchbruch erst jetzt gelingt, liegt nicht am Konzept selbst - die Idee magnetischer Halbleiterspeicher ist seit den 1990er-Jahren bekannt -, sondern an der Reife der Material- und Fertigungstechnik.

Erst moderne Verfahren der Dünnschichtdeposition und Phasenkontrolle erlauben es, Materialien wie β-Wolfram stabil und prozessfest herzustellen. Gleichzeitig wächst in der Chipindustrie das Interesse an nichtflüchtigen Speichern, die sich direkt in bestehende Produktionsketten integrieren lassen. Diese Kombination aus physikalischem Verständnis und industrieller Machbarkeit macht den aktuellen Fortschritt möglich - und könnte SOT-MRAM aus dem Labor endlich in reale Prozessoren bringen.


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