Daten werden in Computern normalerweise in getrennten Modulen gespeichert und verarbeitet. Forscher der ETH Zürich und des PSI haben nun eine Methode entwickelt, mit der logische Operationen direkt in einem Speicherelement ausgeführt werden können.
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 nämlich 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 «flüchtig»: Fehlt der Strom, sind auch die Daten weg. Langfristig zu speichernde Daten, wie etwa Programme, Bilder oder Videos, befinden sich in nichtflüchtiger 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 Zürich 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 nichtflüchtigen, schnellen Arbeitsspeicher zu bauen, der gleichzeitig auch logische Operationen, wie etwa NOT, OR oder AND, an den Daten durchführen kann. Auf dem Weg dorthin haben sie kürzlich einen wichtigen Etappenerfolg erzielt, der im renommierten Wissenschaftsjournal «Nature» veröffentlicht wurde.
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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 geführt werden muss. Bei den neuen Speicherelementen dagegen werden winzig kleine magnetische Bezirke mit Hilfe von elektrischem Strom durch einen nur wenige hundert Nanometer dünnen Draht hindurchbewegt. In solchen Bezirken zeigen alle magnetischen Momente – vergleichbar mit kleinen Kompassnadeln, die zu den Atomen des Materials gehören – in dieselbe Richtung und stellen so die Binärwerte 0 und 1 der Bits dar. In Rennbahnspeichern wird die mechanische Bewegung eines Schreib-/Lesekopfes überflüssig, so dass sie deutlich schnellere Zugriffszeiten haben als traditionelle Festplatten. Trotzdem müssen auch derart gespeicherte Daten normalerweise zur Verarbeitung in einen Arbeitsspeicher geladen werden.
«Wir haben es nun geschafft, direkt in einem solchen Speicherelement logische Operationen durchzuführen», 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», erklärt Pietro Gambardella. «Mit Hilfe von elektrischem Strom können wir die magnetischen Bezirke umpolen und so eine NOT-Operation auf den gespeicherten Daten ausführen. Dazu nutzen wir eine seltsame Wechselwirkung aus, die entsteht, wenn wir einen magnetischen Kobaltfilm auf eine Platinschicht aufbringen.» Diese seltsame Wechselwirkung führt dazu, dass sich die magnetischen Momente nicht, wie es normal wäre, parallel oder entgegengesetzt ausrichten. Durch die Platinschicht kann die Wechselwirkung dafür 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, ähnlich 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 können. Diese wiederum können zu komplizierteren Schaltkreisen zusammengesetzt werden, die zum Beispiel zwei Zahlen addieren (siehe Bild). Im Gegensatz zu herkömmlichen Schaltkreisen auf Halbleiterbasis allerdings, in denen jeder Transistor seine eigene Stromzufuhr braucht, müssen die neuen Rennbahnschaltkreise im Prinzip nur am Eingang und am Ausgang mit elektrischem Strom versorgt werden.
Anwendungen im Internet der Dinge
«Unsere Technologie könnte zunächst vor allem in Mikroprozessoren mit geringer Rechenleistung zum Einsatz kommen», sagt Gambardella. Ein aktuelles Beispiel dafür ist das Internet der Dinge, in dem verschiedene Geräte und Sensoren direkt miteinander kommunizieren. Die Computer in solchen Geräten sollten instant-on sein, also sofort betriebsbereit und ohne umständliches Laden von Betriebssystemen, und zudem wenig Energie verbrauchen. Eine Technologie, die Magnetspeicher und logische Operationen vereint, wäre dafür ideal.
Prinzipiell könnten auch andere, grössere Computer auf diese Weise betrieben werden, meint Gambardella. In der Praxis aber, so räumt er ein, wird das in naher Zukunft noch nicht passieren: «Die Materialien und Herstellungsprozesse dahingehend zu optimieren, ist für Chiphersteller sehr teuer; es ist also noch zu früh zu sagen, ob unsere Technik die herkömmliche Halbleitertechnologie ablösen 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 tatsächlich ein Computer, bei dem man getrost den Netzstecker ziehen kann, ohne Daten zu verlieren.
Dieser Text ist in der Ausgabe des ETH-Magazins Globe erschienen.
