Magnetisches RAM der nächsten Generation: Lösen von SOT-RAM-Problemen

RAM der nächsten Generation. SOT-RAM, eine neue Art von Magnetspeicher, ist im Begriff, den Weg für einen extrem niedrigen Stromverbrauch in der Elektronik zu ebnen. So nützlich diese Lösung auch ist, sie bringt auch einige Herausforderungen mit sich.

Wissenschaftler der Tokyo University of Science haben ein Problem in SOT-RAMs identifiziert, das die Sicherheit während des Lesevorgangs gefährdet.

Glücklicherweise haben Wissenschaftler, die sich mit diesem Thema beschäftigen, einige Methoden gefunden, um diese Probleme durch einige Änderungen an der SOT-RAM-Struktur erheblich zu verringern. Die Änderungen werden dazu beitragen, diese Art von Speicher schneller und zuverlässiger zu machen und die Kommerzialisierung nachhaltiger IoT-Anwendungen zu fördern.

Mit dem Beginn der Ära des Internets der Dinge (IoT) haben sich viele Forscher darauf konzentriert, viele der damit verbundenen Technologien nachhaltiger zu gestalten. Der Ansatz des „grünen IoT“ konzentriert sich ganz auf die Energieeffizienz des Internets der Dinge. Forscher arbeiten daran, einige der Bausteine der herkömmlichen Elektronik zu verbessern oder radikal zu verändern, um das Ziel des grünen IoT zu erreichen. Zugleich müssen diese Produkte nicht nur schneller, sondern auch energieeffizienter werden. Im Einklang mit dieser Logik arbeiten derzeit viele Wissenschaftler weltweit an der Entwicklung und Vermarktung neuer magnetischer RAMs (Random Access Memory), die sich auf Elektronik mit extrem niedrigem Stromverbrauch konzentrieren werden.

So funktioniert Magnetic RAM(RAM der nächsten Generation)

Jede Speicherzelle in einem magnetischen RAM wird entweder mit einem „1“- oder einem „0“-Wert gespeichert, je nachdem, ob die magnetische Richtung der beiden magnetischen Schichten gleich oder entgegengesetzt zueinander ist. Es gibt verschiedene Arten von magnetischem RAM. Sie unterscheiden sich jedoch hauptsächlich darin, dass sie die magnetische Ausrichtung der magnetischen Schichten während des Schreibvorgangs auf die Speicherzelle ändern.

Spin Transfer Torque RAM (STT-RAM) ist eine Art von Magnetspeicher, der derzeit kommerziell genutzt wird. Es wird jedoch aktiv an einer neuen Art von Magnetspeicher namens Spin Orbit Torque RAM (SOT-RAM) geforscht, um noch niedrigere Schreibströme und eine höhere Zuverlässigkeit zu erreichen.

Durch die Nutzung von Spin-Orbit-Wechselwirkungen in SOT-RAM kann der Schreibstrom stark reduziert werden, was wiederum den Stromverbrauch verringert. Da die Strompfade zum Lesen und Schreiben des Speichers unterschiedlich sind, gingen die Forscher zunächst davon aus, dass die mögliche Verzerrung der gespeicherten Werte beim Lesen oder Schreiben gering sein würde. Leider stellte sich heraus, dass dies nicht der Fall war.

Behebung des Problems im magnetischen RAM

Forscher der Tokyo University of Science in Japan berichteten 2017, dass SOT-RAMs beim Lesen eines gespeicherten Wertes eine zusätzliche Unregelmäßigkeit aufweisen. Bei herkömmlichen SOT-RAMs teilt der Lesestrom einen Teil des Pfades mit dem Schreibstrom. Beim Lesen eines Wertes werden aufgrund des Spin-Hall-Effekts unsymmetrische Ströme erzeugt. Dies hat zur Folge, dass die Lesefunktion in SOT-RAMs unsicherer und instabiler wird.

Prof. Kawahara und seine Kollegen führten eine weitere Studie durch, die kürzlich in IEEE Transactions on Magnetics veröffentlicht wurde, um dieses Problem zu lösen. Das Team hat eine neue Auslesemethode für SOT-RAMs gefunden, mit der diese neue Quelle für Ausleseverzerrungen ausgeschaltet werden kann. Kurz gesagt, die Ideen des Teams beruhen auf der Technik, die ursprüngliche SOT-RAM-Struktur so zu verändern, dass ein bidirektionaler Lesepfad entsteht. Beim Lesen eines Wertes fließt der Lesestrom gleichzeitig in zwei entgegengesetzten Richtungen durch die magnetischen Schichten. An diesem Punkt heben sich die magnetischen Störungen, die durch die auf beiden Seiten erzeugten Rückströme entstehen, gegenseitig auf.

Neben der Vertiefung der Theorie über die Hauptursache für Probleme beim Lesen von Gedächtnisinhalten führten die Forscher eine Reihe von Simulationen durch, um die Wirksamkeit der von ihnen vorgeschlagenen Methode zu überprüfen. Sie testeten drei verschiedene Arten von ferromagnetischen Materialien für magnetische Schichten und verschiedene Formen der Bauteile. Die Ergebnisse waren sehr positiv, wie Prof. Kawahara feststellte:

„Wir haben bestätigt, dass die vorgeschlagene Methode die Lesestörungen bei allen Materialparametern und Bauteilgeometrien im Vergleich zum konventionellen Lesepfad in SOT-RAM um mindestens einen Faktor 10 reduziert.“

Das Forschungsteam testete die Leistung von Array-Typen, die in einem echten SOT-RAM verwendet werden sollen. Diese Tests sind wichtig, weil die Lesepfade in einer Array-Struktur je nach Lage der einzelnen Speicherzellen nicht perfekt ausgeglichen sind. Die Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist, Leseprobleme selbst bei der Zusammenschaltung von etwa 1.000 Speicherzellen zu reduzieren. Das Team versucht nun, seine Methode zu verbessern, um eine größere Anzahl von integrierten Zellen zu erreichen.

Diese Arbeit könnte den Weg für eine neue Ära der stromsparenden Elektronik ebnen, von Personal Computern und tragbaren Geräten bis hin zu großen Servern. Prof. Kawahara zeigte sich mit seinen Ergebnissen zufrieden:

„Wir gehen davon aus, dass die nächste Generation von SOT-RAMs wesentlich niedrigere Schreibströme benötigt als die derzeitigen STT-RAMs, was zu erheblichen Energieeinsparungen führt. Die Ergebnisse unserer Studie werden dazu beitragen, eines der inhärenten Probleme von SOT-RAMs zu lösen, was für ihre Kommerzialisierung von entscheidender Bedeutung sein wird“.