MRAM - Magnetoresistive RAM

MRAM gehört in die Kategorie der magnetoelektronischen Arbeitsspeicher und speichert Daten permanent und arbeitet genauso schnell wie üblicher DRAM-Speicher.
MRAM besteht aus dünnen metallischen und nichtmagnetischen Schichten. Für die Speicherung wird die magnetische Remanenz in einer dünnen ferromagnetischen Schicht genutzt. Die Unterscheidung der Speicherzustände 0 und 1 wird durch die Magnetisierung der dünnen Schichten abgebildet (gleich oder ungleich ausgerichtet).

MRAM-Speicher verfügen über sehr hohe Schaltgeschwindigkeiten und verbrauchen dabei sehr wenig Energie und erzeugen nur eine geringe Wärmeentwicklung. Sie lassen sich im Vergleich zu Flash-Speicher beliebig oft löschen und überschreiben. Die Daten bleiben auch bei abgeschaltetem Strom dauerhaft gespeichert.
MRAM-Speicherzellen verbrauchen auf einem Chip nur einen Bruchteil des Platzes, den etwa DRAM- oder SRAM-Zellen belegen. Doch genau hier liegt das Problem, denn der hohe Schreibstrom zur induktiven Magnetisierung macht sich als Übersprechen durch magnetische Kopplung auf eng benachbarter Zellen bemerkbar. Das erweist sich als Hindernis auf dem Weg zu einer hohen Integrationsdichte. Die Konsequenz daraus, größere Speicherkapazitäten lassen sich nicht wirtschaftlich produzieren.
Immerhin kann MRAM batteriegepufferte SRAMs und Flash-Speicher in Spezialanwendungen ersetzen. MRAM findet sich so aber nur in wenigen wirtschaftlich sinnvolle Spezialanwendungen, etwa in der Luft- und Raumfahrtelektronik, in Waffensystemen und Industriecomputern.

Eigenschaften von MRAM

  • magneto-resistiver Speicher
  • schneller als DRAM
  • weniger Platzverbrauch
  • hohe Zuverlässigkeit
  • Datenerhaltung ohne Strom
  • großer Temperaturbereich

Funktionsprinzip einer MRAM-Speicherzelle

vereinfachter Prinzip-Aufbau einer MRAM-Speicherzelle
Die MRAM-Speicherzelle ist ein magnetoelektronischer Speicher. Sie besteht aus mehreren Schichten, wobei für die Beschreibung des Funktionsprinzips nur drei Schichten notwendig sind. Die MRAM-Speicherzelle besteht, grob gesehen, aus zwei magnetischen Schichten, zwischen denen sich eine nichtmagnetische Schicht befindet. Die Schichten sind nur 3 bis 6 Nanometer dünn. Das entspricht etwa 10 bis 20 Atomen. Die mittlere magnetische Isolationsschicht ist extrem dünn (1,5 nm) und gleichmäßig dicht (1 Prozent Toleranz). Dieser Aufbau ist mit dem Magnetkernspeicher aus der Anfangszeit der Großrechner vergleichbar.
Die obere Schicht ist magnetisch weich. Kleine Ströme sind in der Lage, das Magnetfeld in seiner Richtung zu verändern. Die untere Schicht ist magnetisch hart. Das Magnetfeld hat eine unveränderliche Magnetfeldrichtung, das als Referenz verwendet wird. Der Magnetfeld-Unterschied zwischen den beiden Schichten dient zur Unterscheidung des Speicherzelleninhalts.
Die digitale 0 entspricht dem hochohmigen Zustand. Wenn also wenig Strom durch das Element fließt. Dabei ist die Magnetfeldrichtung der beiden Schichten unterschiedlich (antiparallel). Die digitale 1 entspricht dem niederohmigen Zustand. Wenn also viel Strom durch das Element fließt. Dabei ist die Magnetfeldrichtung der beiden Schichten gleich (parallel).

Fazit

Obwohl nach jahrzehntelanger Entwicklung FRAM- und MRAM-Halbleiterspeicher produziert werden und lieferbar sind, bleibt die Speicherdichte weit hinter der aktueller SDRAM-Halbleiterspeicher zurück. FRAM und MRAM scheiden deshalb als Flash- oder SDRAM-Ersatz aus.

Übersicht: Halbleiterspeicher

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