Gesundheit: Umgepolt

Der Computer ist unberechenbar: Er kann jeden Moment abstürzen. Und so droht die gerade getane Arbeit unter einer Fehlermeldung zu zerrinnen, weil der Arbeitsspeicher nur ein Kurzzeitgedächtnis hat. Ohne elektrischen Strom vergisst er alles, die Daten sind weg. Denn der Arbeitsspeicher ist keine magnetische Festplatte, die Informationen sicher aufbewahren kann. Er beruht stattdessen auf der Silizium- oder Halbleitertechnologie. Folglich gibt es im Computer ein ständiges, zeitaufwendiges Hin und Her zwischen Arbeitsspeicher und Festplatte.

Forscher und Computerentwickler arbeiten schon lange daran, auch dem Arbeitsspeicher ein Langzeitgedächtnis zu geben. Die ersten solchen Arbeitsspeicher mit magnetischem Zusatz (MRAM) sind bereits gebaut, bedürfen aber noch vieler Verbesserungen. In der heute erschienenen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins „Nature“ (Band 425, Seite 485) stellen Berliner Wissenschaftler des Paul-Drude-Instituts für Festkörperelektronik ein neues Konzept vor, mit dem sich magnetische Bauelemente womöglich erheblich besser für die Verarbeitung von Informationen ausnutzen lassen. „Damit kann man ganz andere Prozessoren bauen“, sagt der Physiker Reinhold Koch.

Die Idee kam ihm und seinen Kollegen Andreas Ney und Carsten Pampuch mehr oder weniger zufällig beim Studium magnetischer Schichtsysteme. Denn die Bauteile für die magnetische Speichertechnik sind wie ein Sandwich aus extrem dünnen Metallschichten zusammengesetzt. Im einfachsten Fall sind nur drei solche Lagen vonnöten: zwei magnetische Schichten oben und unten, getrennt durch einen unmagnetischen Film, der nur wenige Atomlagen, also millionstel Millimeter, dick ist.

Wissenschaftler verwenden für die eine Magnetschicht, etwa die obere, ein Metall, das sich sehr leicht ummagnetisieren lässt, wenn ein Magnetfeld von außen darauf einwirkt. Die andere dagegen ist nicht so leicht umzupolen, und die vielen winzigen „Stabmagnete“, aus denen sie besteht, ändern ihre Ausrichtung nur widerwillig.

Das magnetische Sandwich ähnelt einem elektronischen Schalter. Mit einem von außen angelegten Magnetfeld kann man zwischen verschiedenen Stellungen des Schalters hin und her springen: Mal ist zum Beispiel die Magnetisierung der oberen und unteren Schicht gleich, und die kleinen „Stabmagnete“ zeigen in dieselbe Richtung nach rechts oder nach links. Ein anderes Mal sind sie einander entgegengesetzt. Auch dafür gibt es zwei Möglichkeiten, macht zusammen vier.

Wer einen solchen Schalter in der Computertechnik benutzen möchte, muss indessen herausfinden, welche Einstellung das magnetische Päckchen gerade hat. Und das gelingt mit Hilfe eines elektrischen Stroms, der durch das Sandwich fließt, wie Peter Grünberg vom Forschungszentrum Jülich vor nunmehr 15 Jahren herausfand: Wenn die Magnetisierung der Schichten gleichgerichtet ist, ist der elektrische Widerstand klein, und der Strom fließt gut. Ist die Magnetisierung verschieden, also antiparallel, so ist der Widerstand groß.

Angeregt durch diese Entdeckung, haben sich Forscher aus aller Welt daran gemacht, derartige magnetische Bauteile aus dünnen Schichten für die Informationsverarbeitung zu nutzen. Die Wissenschaftler des Paul-Drude-Instituts haben nun zu ihrer eigenen Überraschung festgestellt, dass sie die Bauelemente auch zu einer neuen logischen Struktur, einem neuartigen Prozessor, zusammenschließen können.

„Bisher werden magnetische Systeme am Ende einer Operation wieder in denselben Startzustand zurückgesetzt“, sagt Andreas Ney. „Das ist das bekannte ,Reset’. Und in den Köpfen hatte sich festgesetzt, dass man das immer wieder machen muss.“ Dem sei aber nicht so. Die magnetischen Bauteile ermöglichen es nämlich, mit einem aktiven „Set“ zwischen vier verschiedenen Startzuständen zu wählen. Jeder dieser Startzustände lässt sich gezielt ansteuern. Und der Clou dabei ist, dass jedem von ihnen auch eine von vier logischen Grundoperationen entspricht: den logischen Funktionen „AND“, „OR“ und ihren Negationen „NAND“ und „NOR“. Auf diese vier Funktionen lässt sich jede beliebige logische Operation zurückführen. Die logische Verknüpfung „AND“ („UND“) zweier Größen A und B besagt, bildlich gesprochen: Nur dann, wenn sowohl A als auch B schön sind, ist auch das Paar als Ganzes schön. Ist A dagegen hässlich oder B oder gar beide, dann ist auch das Paar hässlich. Bei der „OR“-Funktion reicht es dagegen, wenn einer von beiden, A oder B, schön ist.

Mit dem Startzustand eines jeden magnetischen Bauteils wird nun auch die logische Funktion ausgewählt, die es übernehmen soll. „Damit kann man Prozessoren flexibel umgestalten, wenn sie neue Aufgaben übernehmen sollen“, sagt Ney. Bisher seien die verschiedenen Bereiche des Prozessors spezialisiert: Ein Areal ist zum Beispiel für Additionen vorgesehen, und für Grafiken gibt es extra Karten. „Diese Spezialisierung fällt in unserem Konzept weg.“

„Die Hardware kann den Aufgaben entsprechend angepasst werden“, ergänzt Carsten Pampuch. „Jedes Bauteil rechnet und speichert.“ Der Absturz verliert den Schrecken. Die Berliner Forscher haben sich ihre Entdeckung sogleich patentieren lassen. „Wir hoffen nun, dass wir einen Industriepartner finden, der daran interessiert ist“, sagt der Leiter der Arbeitsgruppe, Reinhold Koch. Zunächst einmal werden die Forscher ihr Konzept aber in Fachkreisen vorstellen. Andreas Ney etwa verlässt Berlin in Kürze und wechselt zu IBM nach Stanford in die USA. Auch da wird er Gehör finden.