Magnetisme zorgt voor razendsnelle geheugens

Gewone geheugens zijn er ruwweg in twee soorten: dynamische en statische chips. De dynamische geheugenchips ofwel DRam’s bevatten geheugencellen die al of geen elektrische lading kunnen hebben. Is er lading, dan stelt de cel een ‘1’ voor, is er geen lading dan betreft het een logische ‘0’. De lading moet iedere milliseconde worden ververst. DRam’s zijn daardoor ware energievreters. SRam’s, de statische variant, hebben voor iedere geheugencel een aparte schakeling. Deze zogeheten flipflops kunnen in twee bepaalde standen worden gezet. De ene komt overeen met een logische ‘1’, de andere stelt een ‘0’ voor. Eenmaal gezet blijft zo’n flipflop staan. Statische geheugens consumeren dus veel minder geheugen. Ze zijn echter duurder omdat per geheugencel veel meer onderdelen nodig zijn dan bij een DRam. Qua snelheid liggen SRam en DRam redelijk dicht bij elkaar. Met een omschakeltijd van 200 picoseconde is MRam minimaal een factor honderd sneller. Een MRam lijkt nog het meest op een harde schijf. Het substraat is verdeeld in een groot aantal kleine gebiedjes die elk in een andere richting gemagnetiseerd mogen worden. Een magneetveld van boven naar beneden staat voor een ‘1’, de andere richting dient voor het vastleggen van een ‘0’. IBM is al geruime tijd bezig met deze techniek en heeft ook al een aantal MRam-patenten op zijn naam geschreven. Ook Motorola doet op dit terrein een forse duit in het zakje. Begin vorig jaar toonde Motorola de eerste proefchip, met een capaciteit van slechts 256 kilobit. Volgend jaar moet een MRam van 4 megabit klaar zijn. Die chip heeft een spoorbreedte van 0,2 micron, driemaal zo klein als de proefchip. Metaallegering Hoewel de magnetische geheugens worden aangeduid als chips, worden ze niet gemaakt uit silicium of een andere halfgeleider. Als basis wordt een metaallegering gebruikt, hetzij ijzer-mangaan, dan wel iridium-mangaan. Deze stoffen laten zich eenvoudig magnetiseren. De kunst is nu, om het aanbrengen van de magneetgebiedjes zo snel mogelijk te laten gebeuren. Onderzoekers van de universiteit Nijmegen en Siemens zijn er bij een proef in geslaagd om het magneetveld van een bit op de chip te laten omklappen in slechts 200 picoseconde. Om dit voor elkaar te krijgen gebruiken de wetenschappers twee magneetpulsen, die iets in de tijd verschoven worden opgewekt. Waar de pulsen elkaar overlappen ontstaat een scherpe piek met een zeer korte levensduur. Die puls is voldoende sterk om de magneetrichting van een bit in de genoemde tijd te laten omklappen. Het onderzoek heeft zich vooral geconcentreerd op het vinden van de juiste vorm van de twee samenstellende pulsen. Zouden namelijk gewone blokpulsen worden gebruikt, dan is de kans heel groot dat de schakeling dermate hard wordt aangestuurd dat deze instabiel wordt. “Je loopt dan de kans dat een cel die je wilt laten omklappen door een ongewenste oscillatie net zo hard weer terugklapt in de begintoestand”, zo schrijven de wetenschappers in het vermaarde tijdschrift Nature. Resonantiegedrag De pulsen zijn afgestemd op het natuurlijke resonantiegedrag van het magnetische materiaal waaruit de chips zijn vervaardigd. Zo kan een optimale samengestelde puls worden gemaakt, die geen vervelende bijwerkingen heeft. De universiteit van Nijmegen en Siemens hebben de MRam’s onderzocht in het kader van promotieonderzoek. Bij IBM is een een dagtaak voor een aantal professionele onderzoekers. Ook bij Hewlett- Packard is dat het geval. In de HP Labs in Bristol wordt al enkele jaren onderzoek gedaan naar MRam-technologie. Bij HP hoopt men binnen een paar jaar een chip met een capaciteit van een paar honderd megabyte te kunnen maken. Het onderdeel zou wat goedkoper moeten zij dan een flash-kaart met een vergelijkbare capaciteit. Kostbaar Met deze ontwikkelingen is veel geld gemoeid. De laboratoria van IBM hebben er bijvoorbeeld al een bedrag van circa 5 miljard dollar in gestoken. De verwachting is, dat dat geld op termijn dubbel en dwars wordt terugverdiend. Vooral gebruikers van draagbare apparatuur zullen baat hebben bij snel werkende geheugens die ook nog eens weinig energie vragen. In die hoek ziet IBM dan ook de grootste kans op inkomsten. Ook bij Motorola wordt fors geïnvesteerd in de ontwikkeling van MRam-modules, alleen heeft dit bedrijf geen apart budget hiervoor. Het geld komt uit de grote ruif van 1,5 miljard dollar die tot 2005 wordt besteed aan de ontwikkeling van nieuwe technologie. Siemens doet alleen onderzoek naar MRam’s. Dochter Infineon zal ze uiteindelijk gaan maken. Dat zal overigens gebeuren in nauwe samenwerking met IBM en Toshiba.