Simulationsexperten „spinnen“ neue Datenspeicher

Nanomagnetische Bauteile könnten die Zukunft von Speichermöglichkeiten bedeuten. Wesentlich dafür ist die Nutzung des "magnetischer Spins" bestimmter Metalle, so die Analyse der FH St. Pölten. Heute werden neueste Erkenntnisse zu nanomagnetischen Potentialen und Anwendungsbeispiele auf der 19th International Conference on Magnetism vorgestellt. [...]

Maximale Leistungssteigerung – höher, schneller, weiter – die Nachfrage nach miniaturisierten Technologien, die Rechenprozesse schneller und energieeffizienter machen und größere Speichervolumina erlauben, ist enorm. „Da stellt sich die Frage, wie die Zukunft des als RAM bezeichneten Arbeitsspeichers von Computern oder auch der Festplatte aussehen könnte. Die Spin-Elektronik und Nanostrukturen sind dabei große Hoffnungsträger, da sie die Konstruktion neuartiger magnetischer Datenspeicher erlauben“, meint Thomas Schrefl, Leiter des Master-Studiengangs Industrial Simulation an der FH St. Pölten. Die Nutzung des Nanomagnetismus würde das derzeit flüchtige Gedächtnis des Arbeitsspeichers in ein elefantenhaftes Langzeitgedächtnis verwandeln. Und die Speicherkapazität von Festplatten ist noch lange nicht ausgereizt, wenn man das nanomagnetische Verhalten ihrer Komponenten optimal ausnützt. Die Berechnung und Analyse der dafür notwendigen magnetischen Prozesse ist allerdings eine Herausforderung an die Rechenleistung, die nur durch modernste Simulationstechnik zu meistern ist. An der FH St. Pölten wird diese Herausforderung nun mit einem innovativen Simulationsmodell angenommen.

Mit diesem Modell lässt sich das Verhalten von magnetischen Nanostrukturen, also mikroskopisch kleinen magnetischen Teilchen in Schichtsystemen, analysieren. Wesentlich ist dabei, das „Umschalten“ von elektromagnetischen Elementen darstellen zu können. Denn dieses liegt dem Prinzip, digitale Information in binären Codes von „1“ und „0“ darzustellen, zugrunde. An der FH St. Pölten werden dazu nun unterschiedliche Simulationstechniken wie stochastische Optimierungsalgorithmen und Randelementeverfahren zur Berechnung magnetischer Felder mit der sogenannten Finite-Elemente-Methode kombiniert: „Dabei handelt es sich um eine Simulationsmethode, die auch in der Statik und der Mechanik für die Konstruktion von Hochhäusern und Brücken eingesetzt wird. Diese Technologie kann man auch auf magnetische Teilchen anwenden, um sich magnetische Spin-Eigenschaften von Elektronen anzuschauen“, erläutert Prof. Schrefl. Und gerade dieser Spin könnte der Schlüssel zu revolutionären Fortschritten bei der Entwicklung der zentralen Computerspeicher sein.

So funktionieren selbst die leistungsfähigsten Arbeitsspeicher (RAM – Random Access Memory) noch heute nach dem ursprünglichen Prinzip, das die Speicherung auf Grundlage elektrischer Ladung vorsieht. Hohe Ladung = 1, niedrige Ladung = 0. Ist der Strom weg, passiert aber auch das Gleiche mit der gespeicherten Information. Anders bei der Nutzung des magnetischen Spins von Elektronen. Dieser ist auch ohne Strom stabil und kennt sogar vier Zustände: links, rechts, oben, unten. Neben stromunabhängiger Speicherung ist durch die Nutzung dieser vier Zustände auch eine höhere Speicherdichte möglich.

Erste Umsetzung dieses Prinzips sind sogenannte MRAMs (Magnetic Random Access Memory). Diese basieren auf mikroskopisch kleinen, zirka 40×40 Nanometer großen, magnetischen Elementen, deren Verhalten das Team um Schrefl simuliert. Dieser meint dazu: „Unser Ziel ist es, bei den Umschaltprozessen eine Geschwindigkeit von 10 Bit pro Nanosekunde zu erreichen. Doch dieses Ziel ist nur bei einem optimalen Design unter gleichzeitig effizienter Nutzung der Materialeigenschaften möglich.“ Gleiches gilt für die Optimierung des Festplattendesigns, das bereits auf magnetische Prozesse aufbaut, diese aber laut Schrefl bei Weitem nicht zu ihrem vollen Potential ausnützt.

Auf der 19th International Conference on Magnetism vom 8. – 13. Juli in Korea werden nun unter dem Motto „Magnetic Memories“ von Prof. Schrefl solche Anwendungsgebiete der von ihm entwickelten Simulationsverfahren vorgestellt. Deren Nutzung, davon ist der Experte überzeugt, erlaubt es, die Computer-Power des 21. Jahrhunderts zu maximieren – ohne den aufwändigen Bau zahlloser Prototypen.