Die Zukunft des Rams

Markus Meyerhöfer

Das FRAM

Ferroelectric Random Access Memory

Ferroelektrische Speicherchips

Zukünftiges nicht flüchtiges Speichermedium

Diese Computersimulation zeigt die ferroelektrischen Bezirke, auch Domänen genannt, in einem gestauchten Barium-Titanat-Film auf einem dafür speziell ausgesuchten Trägermaterial bei einer Temperatur von 300 Grad Celsius. Die beiden Farben

markieren Entgegengesetzte elektrische Polarisationen.

Herstellung von FRAM

Barium-Titanat wird als dünne Filme auf ein geeignetes Trägermaterial aufgewachst

Funktionsweise

In einer ferro-elektrischen RAM-Zelle (Perovskit-Kristall) wird ein Kondensator aus einem Blei-Zirkonium-Titanat (PZT) in Auf- oder Abwärtsrichtung geladen. Ein einzelnes Atom im Inneren der Bitzelle befindet sich jeweils in einer von zwei stabilen Lagen. Ein elektrischer Dipol mit Auf- oder Aborientierung hält die Information. Beim Lesen werden die Bit- und die Wortleitung kurzzeitig mit einem Spannungsimpuls beschickt. Zeigen angelegtes und gespeichertes Feld in die gleiche Richtung, dann erscheint ein kleiner Stromimpuls auf der Leitung. Weisen beide Felder in gegensätzliche Richtung, dann entsteht ein großer Stromimpuls. Ausgelesen wird mit der Bitleitung. Nach dem Lesen einer Bitzelle muss diese - wie beim DRAM - wieder neu beschrieben werden.

Vorteile

Nicht flüchtiger Speicher

Günstig

Datenhaltbarkeit über 10 Jahre, auch bei starken Temperaturschwankungen

Geringer Stromverbrauch

Nachteile

Nur ca. 10 Milliarden Schreibvorgange

Nach jedem Lesen muss die Bitzelle wieder neu beschrieben werden

Schreibzeit ca. 100 ns (~ Standard-SRAM)

Magnetoresistive

Random

Access

Memory

MRAM

MJT (Magnetic Tunnel Junction)

Bei diesem Verfahren wird ein Schichtaufbau von zwei dünnen Ferromagnetischen Filmschichten realisiert, die von einer sehr dünnen dielektrischen Tunnelbarriere voneinander getrennt sind. Auf diese Weise erhält man so genannte magnetische Tunnelbarrieren.

Lesevorgang

Die beiden magnetischen Schichten verhalten sich wie ein kleiner Stabmagnet mit jeweils einem Süd- und einem Nordpol, dem sich ein magnetisches Moment zuordnen lässt. Die magnetischen Momente der beiden Magnete können nun gleichgerichtet oder einander entgegengesetzt sein und somit die beiden binären Zustände "0" und "1" repräsentieren.

Lesevorgang: Das Auslesen der Zelle basiert auf der Tatsache, dass der Widerstand der Tunnelbarriere geringer ist, wenn die beiden Ferromagnetischen Schichten parallel magnetisiert sind, als wenn die beiden Schichten antiparallel magnetisiert sind. Dieser Unterschied wird dadurch erreicht, dass durch die Schichten mit einer Dicke von wenigen Atomlagen eine Polarisierung der Elektronen erreicht wird. Der untere Magnet lässt nur Elektronen einer bestimmten Spin-Polarisationsrichtung durch, die von dem zweiten Magneten in Abhängigkeit von dessen Ausrichtung durchgelassen oder gesperrt werden. Wenn die beiden Magnete gleichgerichtet sind, können die Elektronen die Tunnelbarriere überwinden. Ist der zweite Magnet allerdings entgegengerichtet, dann wird auch dieser Stromanteil gesperrt.Der relative Unterschied im Widerstand, der sich nun zwischen Wort- und Bitleitung ergibt (Bild 12) beträgt typischerweise etwa 12 %.

Schreibvorgang

Um die Zellen zu beschreiben, werden Ströme durch Leitungen geschickt, die nah an den magnetischen Zellen vorbeiführen, mit diesen aber nicht leitend verbunden sind. Diese Leitungen, die parallel zu den Wortleitungen geführt werden, bezeichnet man als Digit Lines. Durch das einen Strom umgebende Magnetfeld werden die Magnete, je nach gewünschtem Speicherzustand, gleichgerichtet oder entgegengesetzt ausgerichtet.

Dabei fließt der Strom in der Wortleitung immer in eine Richtung und führt zu einem immer einheitlichen Moment des zugehörigen Magneten, während unterschiedliche Flussrichtungen durch die Bitleitungen die gewünschten Zustände repräsentieren.

Vorteile

Nicht flüchtiger Speicher

Schreibzeit bis zu 2,3 ns

Lesen mit 1/100 der Energie wie bei DRAMS

Keine Auffrischung des Speicherinhalts notwendig

Nachteile

Für Computer noch zu teuer und zu langsam

Quellen:http://www.verivox.de/News/ArticleDetails.asp?aid=6997&pm=1

http://www.elektronik-kompendium.de/sites/com/0610041.htm

http://www.tecchannel.de/hardware/1210/0.html

http://www.elektronik-kompendium.de/sites/com/0807111.htm

http://www.planet-rcs.de/de/article/ram4/

http://www.heise.de/newsticker/meldung/46438

http://www.golem.de/0310/28164.html

http://www.eetimes.de/semi/news/showArticle.jhtml?articleID=59200051

http://www.computerbase.de/lexikon/MRAM

http://www.tomshardware.de/business/20041019/flash-07.html

http://www.planet-rcs.de/de/article/ram4/ 

Hybrid Strukturen

GMR (Giant-Magnetoresistance-Effekt)