Die Zukunft des Rams

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Die Zukunft des Rams
Markus Meyerhöfer
Das FRAM
Diese Computersimulation zeigt die ferroelektrischen Bezirke,
auch Domänen genannt, in einem gestauchten Barium-TitanatFilm auf einem dafür speziell ausgesuchten Trägermaterial bei
einer Temperatur von 300 Grad Celsius. Die beiden Farben
markieren Entgegengesetzte elektrische Polarisationen.
Ferroelectric Random Access Memory
Ferroelektrische Speicherchips
Zukünftiges nicht flüchtiges Speichermedium
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 Aufoder 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 (~ StandardSRAM)
MRAM
Magnetoresistive
Random
Access
Memory
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 SpinPolarisationsrichtung 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)
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