Magnetische Datenspeicher mit Logik

Wer schon einmal versehentlich bei einem Desktop-Computer den Stecker aus der Steckdose gezogen hat, der weiss: Alle Informationen, die in dem Moment nicht dauerhaft gespeichert waren, sind unwiederbringlich verloren. Bei Computern gibt es n?mlich eine strenge Arbeitsteilung. Daten, die der Computer gerade benutzt, werden im Arbeitsspeicher gelagert, der wie der Prozessor des Rechners auf elektrisch gesteuerten Transistoren beruht. Der Arbeitsspeicher ist daher ?fl¨¹chtig?: Fehlt der Strom, sind auch die Daten weg. Langfristig zu speichernde Daten, wie etwa Programme, Bilder oder Videos, befinden sich in nichtfl¨¹chtiger Form entweder in einem Flash-Speicher oder auf einer magnetischen Festplatte, von wo aus sie bei Bedarf in den Arbeitsspeicher zur weiteren Verwendung geladen werden.

An der ETH Z¨¹rich und dem Paul Scherrer Institut (PSI) versucht ein Team um Pietro Gambardella und Laura Heyderman dieses seit Jahrzehnten angewandte Prinzip zu revolutionieren. Ihr Ziel: einen nichtfl¨¹chtigen, schnellen Arbeitsspeicher zu bauen, der gleichzeitig auch logische Operationen, wie etwa NOT, OR oder AND, an den Daten durchf¨¹hren kann. Auf dem Weg dorthin haben sie k¨¹rzlich einen wichtigen Etappenerfolg erzielt, der im renommierten Wissenschaftsjournal ?Nature? ver?ffentlicht wurde.

Schnelle Rennbahnspeicher

Seit einigen Jahren bereits entwickeln Forscher magnetische Rennbahnspeicher (engl. racetrack memory). Diese sind viel schneller als traditionelle Festplatten, in denen ein Schreib- und Lesekopf mechanisch zu einer bestimmten Stelle auf der Platte gef¨¹hrt werden muss. Bei den neuen Speicherelementen dagegen werden winzig kleine magnetische Bezirke mit Hilfe von elektrischem Strom durch einen nur wenige hundert Nanometer d¨¹nnen Draht hindurchbewegt. In solchen Bezirken zeigen alle magnetischen Momente ¨C vergleichbar mit kleinen Kompassnadeln, die zu den Atomen des Materials geh?ren ¨C in dieselbe Richtung und stellen so die Bin?rwerte 0 und 1 der Bits dar. In Rennbahnspeichern wird die mechanische Bewegung eines Schreib-/Lesekopfes ¨¹berfl¨¹ssig, so dass sie deutlich schnellere Zugriffszeiten haben als traditionelle Festplatten. Trotzdem m¨¹ssen auch derart gespeicherte Daten normalerweise zur Verarbeitung in einen Arbeitsspeicher geladen werden.

?Wir haben es nun geschafft, direkt in einem solchen Speicherelement logische Operationen durchzuf¨¹hren?, sagt Zhaochu Luo, der das Projekt als Postdoktorand vorangetrieben hat. Logische Operationen werden in Computern zur Datenverarbeitung verwendet. Die logische NOT-Operation beispielsweise wandelt den Wert 0 eines Bits in eine 1 um und umgekehrt. Normalerweise passiert das im Arbeitsspeicher, wogegen die Daten auf der magnetischen Festplatte gelesen und wieder neu geschrieben, aber nicht direkt verarbeitet werden.

Eine seltsame Wechselwirkung

?Hier ist das anders?, erkl?rt Pietro Gambardella. ?Mit Hilfe von elektrischem Strom k?nnen wir die magnetischen Bezirke umpolen und so eine NOT-Operation auf den gespeicherten Daten ausf¨¹hren. Dazu nutzen wir eine seltsame Wechselwirkung aus, die entsteht, wenn wir einen magnetischen Kobaltfilm auf eine Platinschicht aufbringen.? Diese seltsame Wechselwirkung f¨¹hrt dazu, dass sich die magnetischen Momente nicht, wie es normal w?re, parallel oder entgegengesetzt ausrichten. Durch die Platinschicht kann die Wechselwirkung daf¨¹r sorgen, dass sich die Magnetmomente in angrenzenden Bezirken rechtwinklig zueinander anordnen. ?Das ist in etwa so, als ob eine Kompassnadel nicht mehr nach Norden, sondern nach Osten zeigt?, sagt Gambardella.

Durch diese rechtwinklige Anordnung der magnetischen Momente bildet sich zwischen den angrenzenden Bezirken ein bevorzugter Drehsinn der Magnetisierung aus, ?hnlich einem Korkenzieher, der sich in eine bestimmte Richtung dreht. Schickt man nun einen Strompuls durch die Platinschicht, so polen die darin fliessenden Elektronen die atomaren Kompassnadeln in der magnetischen Kobaltschicht nach und nach um und schaffen so einen wandernden magnetischen Bezirk. An festgelegten Stellen, an denen die rechtwinklige Wechselwirkung stark ist, wird die Magnetisierungsrichtung des wandernden Bezirks umgekehrt. Dies entspricht genau der logischen NOT-Operation.

Solche Operationen in verschiedenen Rennbahnspeichern lassen sich nun kombinieren, wodurch andere logische Operationen wie AND, OR oder NAND realisiert werden k?nnen. Diese wiederum k?nnen zu komplizierteren Schaltkreisen zusammengesetzt werden, die zum Beispiel zwei Zahlen addieren (siehe Bild). Im Gegensatz ?zu herk?mmlichen Schaltkreisen auf Halbleiterbasis allerdings, in denen jeder Transistor seine eigene Stromzufuhr braucht, m¨¹ssen die neuen Rennbahnschaltkreise im Prinzip nur am Eingang und am Ausgang mit elektrischem Strom versorgt werden.

Anwendungen im Internet der Dinge

?Unsere Technologie k?nnte zun?chst vor allem in Mikroprozessoren mit geringer Rechenleistung zum Einsatz kommen?, sagt Gambardella. Ein aktuelles Beispiel daf¨¹r ist das Internet der Dinge, in dem verschiedene Ger?te und Sensoren direkt miteinander kommunizieren. Die Computer in solchen Ger?ten sollten instant-on sein, also sofort betriebsbereit und ohne umst?ndliches Laden von Betriebssystemen, und zudem wenig Energie verbrauchen. Eine Technologie, die Magnetspeicher und logische Operationen vereint, w?re daf¨¹r ideal.

Prinzipiell k?nnten auch andere, gr?ssere Computer auf diese Weise betrieben werden, meint Gambardella. In der Praxis aber, so r?umt er ein, wird das in naher Zukunft noch nicht passieren: ?Die Materialien und Herstellungsprozesse dahingehend zu optimieren, ist f¨¹r Chiphersteller sehr teuer; es ist also noch zu fr¨¹h zu sagen, ob unsere Technik die herk?mmliche Halbleitertechnologie abl?sen kann.? Dennoch, so findet er, ist der Ansatz interessant genug, um ihn weiterzuverfolgen und zu sehen, wie weit man damit kommt. Ein Patent dazu haben die Forscher jedenfalls schon mal angemeldet. Am Ende steht dann vielleicht tats?chlich ein Computer, bei dem man getrost den Netzstecker ziehen kann, ohne Daten zu verlieren.