CD-Labor für Nichtflüchtige magnetisch-resistive Speicher und Logik

01.10.2018 - 30.09.2025
Forschungsförderungsprojekt

Die kontinuierliche Miniaturisierung von Halbleiterbauelementen war eine der treibenden Kräfte bei der herausragenden Steigerung von Geschwindigkeit und Leistungsfähigkeit von modernen elektronischen Schaltkreisen. Obwohl Bauelemente gefertigt mit einer 7nm-Technologie berichtet wurden, zeigt die Transistor-Skalierung Anzeichen einer Sättigung, da die Single-Thread-Leistung und die Taktfrequenz nicht weiter erhöht werden können ohne den Stromverbrauch der Geräte enorm zu steigern. Wegen der geringen Bauelementgrößen und des steigenden Leckstroms wächst der Energieverbrauch im Standby-Betrieb und wird vergleichbar mit dem im aktiven Betrieb, was den Gesamtverbrauch drastisch erhöht. Ein weiterer Beitrag zum zunehmend unerschwinglichen Energiebedarf ist, dass eine hohe Leistung in großen Rechenzentren nicht nur für eine effiziente Datenverarbeitung, sondern auch für die Speicherdatenübertragung erforderlich ist. Insgesamt ist die im Moment kritische Eigenschaft des hohen Stromverbrauchs mit der weltweiten Nachfrage nach dessen Verringerung nicht kompatibel. Neue Ansätze sind daher dringend erforderlich, um den lebenswichtigen gesellschaftlichen und industriellen Fortschritt durch ffizientere Technologien zu sichern. In Bezug auf die Reduktion des Stromverbrauchs in Standby-Betrieb ist Nichtflüchtigkeit im Hauptspeicher und den Caches eine sehr attraktive Lösung. Der Einsatz von nichtflüchtigem Speicher direkt auf dem Prozessor verringert drastisch die Datenübertragung über lange Verbindungen und den damit verbundenen Energiebedarf. In Bezug auf eine Reduzierung des Stromverbrauchs im Betrieb ebnet man so den Weg für ein neues Low-Power- und Hochleistungs-Rechnerparadigma, indem die Datenverarbeitung zumindest teilweise in den nichtflüchtigen Speicher verlegt wird. Magnetische Tunnelkontakte - als Elemente von nichtflüchtigen CMOS-kompatiblen magnetoresistiven Speichern - sind hervorragende Kandidaten für die Realisierung der energiesparenden Ansätze für Stand-by- und aktiven Betrieb, da sie eine einfache Struktur, lange Retentionszeit, hohe Dauerleistung und schnelle Betriebsgeschwindigkeit besitzen und eine hohe Integrationsdichte ermöglichen.

Für einen ultimativen Erfolg von magnetoresistiven Speichern ist es besonders wichtig, sie in den Hauptspeicher und die Caches einzubauen. Allerdings beeinträchtigen hohe Schaltströme und energieintensive Schreib-Operationen die Vorteile der Nichtflüchtigkeit. Ansätze zur Lösung des Problems umfassen vertikalr angeordnete magnetische Tunnelkontakte, Entkopplung von Schreib- und Lese-Pfaden, Steuern der Magnetisierung durch Spannung und Verwendung neuer Materialien.

Der Erfolg der Mikroelektronik wurde von fortschrittlichen TCAD Werkzeugen ermöglicht und unterstützt; allerdings gibt es keine TCAD-Unterstützung für magnetoresistive Speicher. Der Mangel an Modellen und Simulatoren bremst die breite Anwendung der nichtflüchtigen Technologie. Gemeinsam mit Silvaco werden wir in erster Linie magnetoresistve Speicher untersuchen, um ihre Implementierung im Hauptspeicher und den Caches zu erleichtern. Insbesondere werden sich unsere anfänglichen Forschungsfragen auf Probleme der dreidimensionalen, selbstkonsistenten Simulation von Spinströmen, Drehmomenten und Magnetisierungsdynamiken in Strukturen mit vertikaler Magnetisierung konzentrieren. Darüber hinaus werden wir mikroskopische Modelle zur Steuerung der Magnetisierung durch Spannung, Spin-Orbit-Drehmomente und Umschaltung durch stromgesteuerte Domänen-Wandbewegungen in fortschrittlichen Bauelementen untersuchen. Ein Teil des Gesamtplans wird der Hochrisikoforschung bei der Erarbeitung neuartiger Modellierungs- und Simulationsansätze für nichtflüchtige Schaltungen mit eingebetteten Logikfunktionen für nicht konventionelle Logik-in-Speicher-Architekturen gewidmet: eine potentiell revolutionäre Technologie. Das Labor wird die zentralen Simulationsmöglichkeiten für den Erfolg des magnetoresistiven Speicherelements entwickeln und wird damit als Schlüsselspieler für die zukünftigen Generationen von elektronischen Geräten dienen

Personen

Projektleiter_in

Institut

Förderungsmittel

  • Christian Doppler Forschungsgesellschaft (CDG) (National) Christian Doppler Forschungsgesellschaft (CDG) Fördergeber Typ Forschungsförderungsinstitutionen

Forschungsschwerpunkte

  • Computational Science and Engineering