Unerschlossenes Potenzial einer vielversprechenden Technologie

Ein Blick auf die Eigenschaften, Anwendungsbereiche und Funktionsweise der MRAM-Technologie

MRAM (Magnetoresistiver RAM, Racetrack-Speicher,Magnetblasenspeicher)

MRAM (Magnetoresistiver RAM) ist eine Art von nicht-flüchtigem RAM (Random Access Memory). Die Daten bleiben also eine Weile erhalten, selbst wenn die Stromzufuhr abbricht. Anders als die meisten anderen Arten und Unterarten von RAM (wie der DRAM, der SRAM oder auch der FRAM) speichert der MRAM Information nicht mit elektrischen sondern mit magnetischen Ladungselementen: anhand der parallelen oder antiparallelen Ausrichtung zweier ferromagnetischer Platten.

Eigenschaften des MRAM

Die MRAM-Technologie bietet mehrere Vorteile, darunter eine hohe Geschwindigkeit, eine lange Lebensdauer und die Fähigkeit, Daten ohne Strom zu speichern. Allerdings sind noch einige Herausforderungen zu bewältigen, bevor sie in großem Maßstab eingesetzt werden kann, einschließlich der Schwierigkeit, MRAM-Zellen zu verkleinern, um die Speicherdichte zu erhöhen.

Die Hauptmerkmale der Speichertechnologie haben wir hier noch einmal zusammengefasst:

MRAM bietet eine ausgezeichnete Datenerhaltung, mit der Fähigkeit, Daten über lange Zeiträume speichern. Dies macht ihn ideal für Anwendungen, in denen Daten auch bei Stromausfall erhalten bleiben müssen.

Im Gegensatz zu Flash-Speichern, die eine separate Löschphase benötigen, bevor neue Daten geschrieben werden können, ermöglicht MRAM schnellere Schreibvorgänge. Diese hohe Geschwindigkeit resultiert aus der unmittelbaren Veränderung der magnetischen Zustände, die zum Speichern von Informationen verwendet werden.

MRAM kann eine extrem hohe Anzahl von Schreib- und Löschzyklen (bis zu 1015 oder mehr) im Vergleich zu Flash-Speichern oder EEPROM (typischerweise 103 bis 106) erreichen. Dies macht ihn ideal für Anwendungen, die häufige Schreibvorgänge erfordern.

MRAM verbraucht weniger Strom als viele andere Speichertechnologien, insbesondere während Schreibvorgängen. Dies macht ihn ideal für energieeffiziente Anwendungen.

MRAM verwendet magnetoresistive Materialien für seine Speicherzellen. "Magnetoresistiv" bezieht sich auf die Eigenschaft bestimmter Materialien, ihren elektrischen Widerstand in Reaktion auf ein äußeres Magnetfeld zu ändern. Dieses Phänomen wird als Magnetoresistenz bezeichnet.Die Magnetoresistenz ist eine grundlegende Eigenschaft, die für den Betrieb von MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory) genutzt wird. In einem MRAM-Speicherchip wird Information in magnetischen Speicherzellen gespeichert.

Achtung Verwechselungsgefahr!

Ferromagnetisch (MRAM) vs. Ferroelektrisch (FRAM)

Der Begriff "ferro" stammt aus dem Lateinischen und bedeutet Eisen (ferrum). Sowohl "ferromagnetisch" als auch "ferroelektrisch" beziehen sich auf Eigenschaften, die ursprünglich in Materialien entdeckt wurden, die Eisen enthalten, obwohl die Begriffe jetzt auf eine breitere Palette von Materialien angewendet werden.

Ferromagnetisch: Eisen (Fe) ist ein bekanntes Beispiel für ein ferromagnetisches Material. Ferromagnetische Materialien können ein dauerhaftes Magnetfeld aufweisen, wenn sie einem externen Magnetfeld ausgesetzt werden. Dieses Phänomen ist die Grundlage für die Funktionsweise von MRAM.

Ferroelektrisch: Der Begriff "ferroelektrisch" wurde aufgrund der Ähnlichkeit zum Phänomen der Ferromagnetik gewählt, trotz der Tatsache, dass Eisen selbst nicht ferroelektrisch ist. Ferroelektrische Materialien können eine dauerhafte elektrische Polarisation aufweisen, die durch ein externes elektrisches Feld geändert werden kann. Dies ist die Basis für die Funktionsweise von FRAM.

MRAM ist gegenüber Strahlung sehr resistent, was es zu einer guten Wahl für Anwendungen in der Raumfahrt und in strahlungsintensiven Umgebungen macht.

MRAM kann in einer breiten Palette von Temperaturen betrieben werden, was es vielseitig einsetzbar macht.

Obwohl MRAM zahlreiche Vorteile aufweist, stehen seiner breiten Markteinführung noch erhebliche Hindernisse entgegen. Besonders problematisch sind die Schwierigkeiten bei der Verkleinerung von MRAM-Zellen zur Erhöhung der Speicherdichte und die im Vergleich zu etablierten Technologien wie DRAM und Flash höheren Kosten.

Trotz jahrzehntelanger Entwicklungsarbeit sind FRAM- und MRAM-Halbleiterspeicher zwar inzwischen produzierbar und verfügbar, jedoch bleibt ihre Speicherdichte deutlich hinter der aktueller SDRAM-Halbleiterspeicher zurück. Aus diesem Grund kommen FRAM und MRAM als Ersatz für Flash- oder SDRAM-Speicher derzeit nicht in Frage.

Anwendungsbereiche für MRAM

Ein kurzer Hinweis vorab: Ob sich der Einsatz von MRAM für bestimmte Anwendungen empfiehlt, lässt sich nicht pauschal sagen und hängt immer von einer Vielzahl an applikationsspezifischen Faktoren ab. Mit den folgenden Informationen zur Eignung von MRAM für verschiedene Anwendungsbereiche möchten wir daher keine Kaufempfehlungen aussprechen, sondern vielmehr die Eigenschaften der Speichertechnologie MRAM in einen Kontext setzen.

Ähnlich wie FeRAM eignet sich MRAM gut für industrielle Steuerungssysteme, da er schnell und zuverlässig Daten speichern kann, selbst bei plötzlichen Stromausfällen oder anderen Störungen.

Aufgrund seiner hohen Beständigkeit gegenüber physischen und elektrischen Belastungen eignet sich MRAM gut für Automotive-Anwendungen, einschließlich Sicherheitssystemen und Infotainment-Komponenten.

In Netzwerkausrüstungen kann MRAM zum schnellen Speichern und Abrufen von Daten verwendet werden, was die Leistung und Effizienz der Systeme verbessern kann.

Funktionsweise des MRAM

MRAM speichert Daten mithilfe von magnetischen Zuständen anstatt elektrischen Ladungen (wie bspw. beim DRAM). In der kleinsten Speichereinheit (Zelle) eines MRAMs sind zwei ferromagnetische Platten vorhanden, die durch einen dünnen isolierenden Film getrennt sind. Eine der Platten hat einen festen magnetischen Zustand (Fixschicht), während die andere (Freischicht) ihren magnetischen Zustand ändern kann.

Daten werden in einer MRAM-Zelle durch die relative magnetische Ausrichtung der beiden Platten repräsentiert. Wenn die magnetische Ausrichtung der beiden Platten parallel ist (beide zeigen in dieselbe Richtung), wird dies als "0" interpretiert. Wenn die Ausrichtungen antiparallel sind (sie zeigen in entgegengesetzte Richtungen), wird dies als "1" interpretiert. Die Daten werden gelesen, indem ein geringer Strom durch die Zelle geschickt wird. Je nach Ausrichtung der Magnetfelder der beiden Platten, wird der elektrische Widerstand der Zelle variieren. Dieser Unterschied im elektrischen Widerstand kann dann erkannt und als Bit "0" oder "1" interpretiert werden.

Das Schreiben von Daten in eine MRAM-Zelle erfordert mehr Energie. Ein stärkerer Strom wird durch die Zelle geschickt, um das Magnetfeld der änderbaren Platte umzukehren und so die magnetische Ausrichtung zu ändern.

Quellen

Elektronik-Kompendium (MRAM - https://www.elektronik-kompendium.de/sites/com/0807111.htm )
Phys (Magnetic Random Access Memory Based Technology - https://phys.org/news/2012-02-magnetic-random-access-memory-based-technology.html)
Storage-Insider (Was ist ein STT-MRAM - https://www.storage-insider.de/was-ist-ein-stt-mram-a-658008/ )
Wikipedia DE (MRAM - https://de.wikipedia.org/wiki/Magnetoresistive_Random_Access_Memory )