Ni₄W-Memory-Durchbruch ermöglicht magnetfreie Umschaltung

Die neuesten technologischen Fortschritte, von Big Data über Künstliche Intelligenz (KI) bis zum Internet der Dinge (IoT), sammeln und verarbeiten Unmengen an Daten. Dafür benötigen sie hohe Energieeffizienz, latenzarme Datenübertragung und Hochgeschwindigkeitsverarbeitung. 

Hier sind Fortschritte im Hochleistungsrechnen (HPC) entscheidend, um die Datenverarbeitungskapazitäten zu verbessern, wobei sie Parallelverarbeitung, leistungsstarke Hardware und anspruchsvolle Software nutzen.

Allerdings stellt der Speicherzugriff häufig den Engpass dar, wodurch ein großer Bedarf an Speichertechnologien entsteht, die diesen Anforderungen gerecht werden.

Speichertechnologie ermöglicht den Zugriff, die Speicherung und das Ändern von Daten. Die Informationen werden dabei durch Sammlungen von Bits dargestellt, wobei jedes Bit entweder Null oder Eins (alternativ wahr oder falsch) ist.

Idealerweise liest und schreibt der Speicher in vernachlässigbarer Zeit, verbraucht wenig Energie, nimmt kaum Platz ein und behält seinen gespeicherten Wert unbegrenzt bei. Aber natürlich erfüllt in der Praxis keine Speichertechnologie diese Idealbedingungen. Verschiedene Technologien haben ihre eigenen Stärken und Schwächen, und es gibt keine eindeutig beste Speichertechnologie.

Speichertechnologie wird hauptsächlich in zwei Kategorien unterteilt:

• Flüchtig
• Nichtflüchtig

Dies basiert auf dem Zelldesign. Zellen sind die Grundeinheiten des Speichers, im Grunde ein ‘Array’ von Speicherzellen, wobei jede Zelle ein Bit Daten hält, und die Eigenschaften einer einzelnen Zelle spiegeln die des gesamten Arrays wider.

Ein flüchtiger Speicher funktioniert, solange er mit Strom versorgt wird, und verliert die gespeicherten Informationen, wenn die Stromversorgung abgeschaltet wird. Daher kann diese Speicherart verwendet werden, um Daten temporär zu speichern.

Ein nichtflüchtiger Speicher hingegen behält seinen gespeicherten Wert auch bei ausgeschalteter Stromversorgung. Für diese Speicherart wird hochentwickelte Halbleitertechnologie eingesetzt, da sie schwieriger herzustellen und elektronisch zu beschreiben ist.

Mit der zunehmenden Verfügbarkeit immer anspruchsvollerer Speichertechnologien auf dem Markt wird die Unterscheidung zwischen diesen beiden Speicherklassen immer unschärfer.

Durchbrüche in der Speichertechnologie

Angesichts der Bedeutung von Speichertechnologie für den Betrieb und die Leistung verschiedener elektronischer Geräte und Systeme, da sie Computern und anderen Geräten ermöglicht, benötigte Informationen zu speichern und abzurufen, haben Forscher kontinuierlich neue Wege erforscht, um sie effizienter zu machen.

Im Laufe der Jahre haben mehrere Durchbrüche die Technologie revolutioniert. Mit dem Ziel, die Beschränkungen aktueller RAM- und Speicherlösungen zu überwinden, treibt die laufende Forschung schnelleres, energieeffizienteres Computing voran und ermöglicht neue Anwendungen in Bereichen wie KI und neuromorphes Computing.

PCM und energieeffiziente Innovationen

Einige der wichtigsten Fortschritte in diesem Bereich umfassen neue PCM‑Materialien (Phase‑Change‑Memory), die einen einzigen Speichertyp schaffen, der die Geschwindigkeit von RAM mit der Nichtflüchtigkeit von Flash‑Speicher kombiniert.

Im PCM‑Bereich haben Wissenschaftler Ende letzten Jahres eine neue Technik entdeckt, die den Energiebedarf von PCM um bis zu eine Milliarde Mal senkt.¹

“Einer der Gründe, warum Phase‑Change‑Speichergeräte noch nicht weit verbreitet sind, ist der erforderliche Energieaufwand”, sagte Autor Ritesh Agarwal, Professor für Materialwissenschaft und -technik an der Penn Engineering, was bedeutet, dass das Potenzial der Ergebnisse dieser neuen Technik “enorm” für die Entwicklung energieeffizienter Speichergeräte ist.

Diese spezielle Entdeckung beruht auf den einzigartigen Eigenschaften von Indiumselenid (In₂Se₃), einem Halbleitermaterial, das sowohl piezoelektrische (Materialien, die sich bei elektrischer Ladung physisch verformen) als auch ferroelektrische (Materialien, die ein internes elektrisches Feld erzeugen können, ohne externe Ladung zu benötigen) Merkmale aufweist. 

Als Indiumselenid einem kontinuierlichen Strom ausgesetzt wurde, beobachteten die Forscher, dass Teile davon amorphisierten, die Kristallstruktur störten und ein neues Feld für strukturelle Transformationen eröffneten, die in einem Material auftreten können, wenn all diese Eigenschaften zusammenkommen.

Multiferroika & effiziente Datenspeicherung

Multiferroische Materialien, die sowohl ferroelektrische als auch ferromagnetische Eigenschaften für zerstörungsfreie Datenspeicherung aufweisen, werden ebenfalls von Forschern untersucht. 

Ein solches Material ist kobaltsubstituiertes BiFeO₃ (BiFe₀,₉Co₀,₁O₃, BFCO), das eine starke magnetoelektrische Kopplung aufweist und damit eine energieeffiziente Schreibweise von Daten ermöglicht. Im letzten Jahr entwickelten Forscher des Tokyo Institute of Technology BFCO‑Nanodots mit einzelnen ferroelektrischen und ferromagnetischen Domänen.²

In diesem Jahr machten die Forscher Fortschritte, bauten auf der Forschung auf und zeigten eine reale Schaltfunktionalität in orientierten Dünnschichten. Die dynamische Steuerung demonstriert ein echtes, durch ein elektrisches Feld gesteuertes Magnetisationsschalten in einem gerätekompatibleren Format.

Ferroelectrische Lösungen & neue Speicherdesigns

Chiplet‑Technologie ist ein weiterer Ansatz, bei dem mehrere kleinere Chips, sogenannte Chiplets, auf einem Substrat montiert werden, das sie verbindet und so höhere Speicherbandbreite und Dichte ermöglicht. Gleichzeitig schreiten Fortschritte bei NAND‑Flash‑ und DRAM‑Technologien zu kleineren Prozessknoten voran, wobei der Fokus auf steigender Bandbreite und Energieeffizienz liegt.

Während NAND‑Flash‑Speicher eine der am weitesten verbreiteten Technologien für die Massenspeicherung ist, da er durch das Stapeln von Zellen in einer 3D‑Struktur mehr Daten auf derselben Fläche speichern kann, beruht er auf Ladungsfallen zur Datenspeicherung, was höhere Betriebsspannungen und langsamere Geschwindigkeiten bedeutet.

Eine vielversprechende Lösung dafür ist hafnia‑basiertes (Hafniumoxid) ferroelektrisches Gedächtnis, jedoch besteht die Herausforderung darin, dass der Speicherplatz für Daten begrenzt ist.

Ein Team von POSTECH ging dieses Problem an, indem es die ferroelektrischen Materialien mit Aluminium dotierte, wodurch Hochleistung‑ferroelektrische Dünnschichten entstanden. Zusätzlich setzten sie eine innovative Metall‑ferroelektrisch‑Metall‑ferroelektrisch‑Halbleiter‑ (MFMFS‑) Struktur ein, anstelle der üblichen MFS‑Struktur.

Damit konnten sie die Spannung in jeder Schicht erfolgreich steuern, indem sie Faktoren wie die Dicke und das Flächenverhältnis der Schichten feinabstimmten. Infolgedessen erreichte das Team ein Speicherfenster von über 10 Volt, im Vergleich zu lediglich 2 V bei herkömmlichen Geräten.

Spin‑Orbit‑Torque und Entwicklung magnetischer Speicher

Selbst Quantencomputing gewinnt als aufstrebende Technologie, die den Weg für leistungsfähigere, effizientere und vielseitigere Rechengeräte der Zukunft ebnet, stark an Bedeutung.

Dann gibt es das energieeffiziente Spin‑Orbit‑Torque Magnetische Random‑Access‑Memory (SOT‑MRAM), bei dem elektrische Ströme verwendet werden, um magnetische Zustände zu schalten und hohe Geschwindigkeit sowie niedrigen Energieverbrauch zu erreichen.

Anfang dieses Jahres teilte ein Forscherteam des JGU Instituts für Physik seine Innovation auf Basis von SOT‑MRAM, die das Potenzial hat, den Energieverbrauch um über 50 % zu senken und die Effizienz um 30 % zu steigern. Sie reduziert zudem den Eingangs‑Strom, der für das magnetische Umschalten zur Datenspeicherung nötig ist, um 20 % und erreicht eine thermische Stabilität, die die Langlebigkeit der Datenspeicherung gewährleistet.⁵

Photonischer und magneto‑optischer Speicher

Die Steuerung optischer Speicherchips mittels Licht und Magneten ist ein weiterer Ansatz, um Verarbeitungsgeschwindigkeit und Effizienz zu verbessern.

In einer Entwicklung entwarfen Wissenschaftler ein programmierbares photonisches Latch, das auf einer Silizium‑Photonik‑Plattform aufgebaut ist. Jede Speichereinheit im System wird von einer eigenen Lichtquelle angetrieben, sodass mehrere Einheiten unabhängig voneinander funktionieren können. Dies verhindert Signalverschlechterungen, die durch optischen Leistungsverlust entstehen, und macht die Architektur für größere Systeme skalierbarer.

“Große Sprachmodelle wie ChatGPT basieren auf riesigen Mengen einfacher mathematischer Operationen, wie Multiplikation und Addition, die iterativ durchgeführt werden, um zu lernen und Antworten zu generieren.”

Und obwohl vollwertige optische Computer noch Jahre entfernt sind, stellt dieser optische Speicher einen bedeutenden Schritt in diese Richtung dar.

In der Zwischenzeit zeigte ein weiteres Team eine neue magneto‑optische Speichertechnologie, die Cer‑substituiertes Yttrium‑Eisen‑Garnet (Ce:YIG) verwendet. Dieses Material zeigt ein einstellbares optisches Verhalten, wenn es magnetischen Feldern ausgesetzt wird. Durch das Einbetten mikroskopischer Magnete konnten die Forscher Daten durch Änderungen der Lichtausbreitung speichern und manipulieren.

Auf diese Weise führten sie eine neuartige Klasse von magneto‑optischen Speichern ein, die Schaltgeschwindigkeiten von 100‑fach schneller als fortschrittliche photonische Integrationstechnologien aufweisen und etwa ein Zehntel der Leistung verbrauchen. Magneto‑optische Speicher können zudem mehr als 2,3 Milliarden Mal neu beschrieben werden.

Ni₄W: Feldfreie Magnetisierung erreicht

Forscher der University of Minnesota Twin Cities haben nun einen neuen Durchbruch in der Speichertechnologie gemeldet. 

Veröffentlicht in der peer‑reviewten Fachzeitschrift Advanced Materials, beschrieb die Studie die Entwicklung⁸, die den Einsatz von Ni₄W, einer Legierung aus Nickel und Wolfram, beinhaltete. Dieses Metall kehrt die Magnetisierung um, ohne Magneten zu benötigen, und zeigt daher Potenzial, die nächste Generation von Elektronik zu betreiben.

Mit dem Team, das einen Weg zur Erzeugung von Spin‑Strömen zur Steuerung der Magnetisierung in Geräten vorstellte, öffnet die Studie die Tür zu günstigeren, schnelleren und effizienteren Computer‑Speicher‑ und Logikgeräten.

Umschalten der Magnetisierung von Metall ohne Magnete

Mit der wachsenden Nachfrage nach aufkommenden Speichertechnologien erforschen Wissenschaftler aktiv verschiedene Alternativen zu bestehenden Speicherlösungen, die die Funktionalität alltäglicher Technik erhöhen und dabei weniger Energie verbrauchen.

Daher wandten sich die Forscher der University of Minnesota einem neuen Material zu, um den Computerspeicher schneller und energieeffizienter zu machen.

Das Material ist eine Nickel‑Wolfram‑Legierung, eine Materialklasse, die für ihre hohe Dichte, Festigkeit und Beständigkeit gegen Verschleiß und Korrosion bekannt ist. In diesen Legierungen beeinflusst die spezifische Zusammensetzung der Metalle ihre Eigenschaften. 

In dieser Studie verwendeten die Forscher Ni₄W, ein Material, das leistungsstarke magnetische Steuerungseigenschaften aufweist.

Um Ni₄W auszuwählen, durchsuchte das Team zunächst die Materialdatenbank nach potenziellen Kandidaten mit stabilen Phasen innerhalb der Raumgruppe I4/m und nutzte anschließend Dichtefunktionaltheorie‑Berechnungen (DFT), die Ni₄W als vielversprechendsten Kandidaten identifizierten, da es eine hohe theoretische SOT‑Effizienz zeigt und der Grundzustand des binären Ni‑W‑Intermetallsystems ist.

Das Team bestätigte die Existenz einer unkonventionellen Spin‑Hall‑Leitfähigkeit (USHC) für Ni₄W (100) sowie Ni₄W (211), konzentrierte jedoch seine experimentellen Bemühungen auf Letzteres wegen seiner besseren SOT‑Effizienz, die die erstgenannte übertraf.

“Theoretische Berechnungen bestätigen, dass Ni₄W (211) die optimalste Kristallorientierung für USHC ist”, stellte die Studie fest und fügte hinzu, dass seine hexagonal‑ähnliche Gitterstruktur das experimentelle Wachstum erleichtert.

Das Material kann den Computerspeicher schneller machen und den Energieverbrauch in elektronischen Geräten deutlich reduzieren. Die Forscher haben ein Patent für die Technologie gesichert.

“Ni₄W reduziert den Stromverbrauch beim Schreiben von Daten und könnte den Energieverbrauch in der Elektronik erheblich senken”, sagte der leitende Autor Jian‑Ping Wang, ein Distinguished McKnight Professor und Robert F. Hartmann Chair in der Abteilung für Elektrotechnik und Computer Engineering (ECE) an der U of M.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Materialien ermöglicht das nieder‑symmetrische Ni₄W ein ‘feldfreies’ Umschalten. Das bedeutet, dass das Material seine magnetischen Zustände ohne Magnete umschalten kann. Durch die Erzeugung von Spin‑Strömen in mehreren Richtungen kann Ni₄W magnetische Zustände feldfrei umschalten, ohne externe Magnetfelder zu benötigen.

In ihrer Arbeit liefert das Team neue Einblicke in das Material und zeigt einen effektiveren Ansatz zur Steuerung der Magnetisierung in kleinen elektronischen Geräten mittels dieser Nickel‑Wolfram‑Kombination.

Laut der Studie fanden die Forscher heraus, dass Ni₄W ein starkes Spin‑Orbit‑Torque (SOT) erzeugt, ein Mittel zur Manipulation von Magnetismus in Speichertechnologien der nächsten Generation.

SOT ist eine aufkommende Technologie, die eine effiziente Manipulation von Spintronik‑Geräten ermöglicht, die sowohl den intrinsischen Spin von Elektronen als auch deren Ladung nutzen, um Informationen zu speichern und zu verarbeiten.

Dieser Mechanismus entsteht aus den Effekten der Spin‑Orbit‑Kopplung (SOC), wie dem anomalem Hall‑Effekt (AHE), dem Spin‑Hall‑Effekt (SHE) und dem Rashba‑Effekt, und zeigt eine überlegene Leistung hinsichtlich Effizienz und Geschwindigkeit.

Während SOT eine effiziente Methode bietet, die Magnetisierung ferromagnetischer Materialien (die permanente Magnetisierung aufweisen und im Fehlen eines äußeren Feldes einen permanenten magnetischen Moment besitzen) in Speichergeräten zu steuern, sind konventionelle SOT‑Materialien wie schwere Metalle und topologische Isolatoren durch ihre hohe Kristallsymmetrie eingeschränkt.

Infolgedessen verwenden Forscher entweder Materialien mit niedriger Symmetrie oder brechen die hohe Symmetrie mithilfe eines externen Magnetfeldes, um unkonventionelle Spin‑Ströme zu erzeugen, die ein feldfreies, deterministisches Umschalten der senkrechten Magnetisierung ermöglichen.

Trotz des Fortschritts bleibt die SOT‑Effizienz dieser Materialien niedrig, was ihre praktische Anwendung einschränkt. Dies ist jedoch beim neuen Material nicht der Fall, das bei Raumtemperatur eine hohe SOT‑Effizienz von 0,3 zeigt.

“Wir beobachteten eine hohe SOT‑Effizienz mit Mehrfachrichtung in Ni₄W sowohl allein als auch in Kombination mit Wolfram, was auf sein starkes Potenzial für den Einsatz in energieeffizienten, hochgeschwindigkeits‑Spintronik‑Geräten hinweist.”

– Mitautor Yifei Yang, fünftjähriger Doktorand in Wangs Gruppe

Eine hohe SOT‑Effizienz von 0,73 wurde ebenfalls in W/Ni₄W (5 nm) beobachtet, könnte jedoch auf extrinsische Effekte zurückzuführen sein.

Bemerkenswerterweise wird das neue Material aus gängigen Metallen hergestellt und kann daher mit standardisierten industriellen Prozessen gefertigt werden. Diese Fertigungsleichtigkeit macht es zu einem kostengünstigen Verfahren und macht Ni₄W für Industriepartner attraktiv.

Das bedeutet zudem, dass die Technologie leicht in Alltagsprodukte wie Handys und Smartwatches integriert werden kann und in naher Zukunft verfügbar sein wird.

“Wir freuen uns sehr, dass unsere Berechnungen die Materialwahl und die experimentelle SOT‑Beobachtung bestätigt haben.”

– Mitautor Seungjun Lee, Postdoktorand im Fachbereich ECE

Damit hat die Studie Ni₄W als vielversprechendes, unkonventionelles SOT‑Material für energieeffiziente Spintronik‑Geräte identifiziert. Da es kostengünstig herzustellen ist, kann es breit in Geräten wie Handys sowie in Rechenzentren eingesetzt werden, wodurch die Zukunft der Elektronik sowohl intelligenter als auch nachhaltiger wird.

In den nächsten Schritten wird das Team diese Materialien zu einem Gerät weiterentwickeln, das kleiner ist als ihre bisherigen Arbeiten.

Investitionen in Speichertechnologie

Micron Technology (MU ), ein führender Anbieter von DRAM, NAND und Hochbandbreiten‑Speicherlösungen, investiert stark in nächste‑Generation‑Speicher, wie HBM, für KI‑Arbeitslasten. In Zukunft können wir erwarten, dass das Unternehmen neuartige Lösungen, wie spintronic‑ oder SOT‑basierten Speicher, integriert, sobald sie kommerziell nutzbar sind.

Micron Technology (MU )

Mit einer Marktkapitalisierung von 126,7 Milliarden $, werden MU-Aktien derzeit zu 112,78 $ gehandelt, ein Anstieg von 34,54 % in diesem Jahr. Das Unternehmen hat ein EPS (TTM) von 5,52 und ein P/E (TTM) von 20,53. Die Dividendenrendite, die Aktionäre erhalten können, beträgt 0,41 %.

Bezüglich der finanziellen Lage des Unternehmens meldete es für das dritte Quartal des Geschäftsjahres 2025, das am 29. Mai 2025 endete, einen Umsatz von 9,30 Milliarden $, was einem Anstieg von 15,5 % gegenüber dem Vorquartal und 36,5 % gegenüber dem gleichen Zeitraum im Vorjahr entspricht.

Der GAAP‑Nettogewinn für den Zeitraum betrug 1,89 Milliarden $, bzw. 1,68 $ pro verwässerter Aktie, und der nicht‑GAAP‑Nettogewinn lag bei 2,18 Milliarden $, bzw. 1,91 $ pro verwässerter Aktie. Der operative Cash‑Flow stieg ebenfalls auf 4,61 Milliarden $.

Micron beendete das Quartal mit 12,22 Milliarden $ in Kassenbeständen, marktfähigen Investitionen und gebundenem Geld.

Der Rekordumsatz, bemerkte CEO Sanjay Mehrotra, wurde durch einen Rekord‑DRAM‑Umsatz angetrieben, einschließlich eines fast 50 %igen sequenziellen Wachstums beim HBM‑Umsatz. Der Umsatz aus Rechenzentren erreichte ebenfalls im Quartal einen Rekord, während die verbraucherorientierten Endmärkte ein starkes sequenzielles Wachstum verzeichneten.

“Wir sind auf Kurs, im Geschäftsjahr 2025 Rekordumsätze mit solider Rentabilität und freiem Cash‑Flow zu erzielen, während wir disziplinierte Investitionen tätigen, um unsere Technologieführerschaft und Fertigungsexzellenz auszubauen und die wachsende, KI‑getriebene Speicher‑nachfrage zu befriedigen.”

– CEO Sanjay Mehrotra

Inmitten all dessen kündigte das Unternehmen an, dass sein HBM3E‑36 GB‑12‑High‑Angebot in die nächsten AMD‑GPU‑Generation (Instinct™ MI350‑Serie) integriert wird, was für das Training großer KI‑Modelle und die Bewältigung komplexer HPC‑Arbeitslasten wie Datenverarbeitung und rechnerische Modellierung entscheidend ist.

Micron kündigte zudem einen US‑Expansionsplan im Wert von 200 Milliarden $ an, der inländische Speicherfertigung und F&E umfasst und voraussichtlich 90 000 direkte und indirekte Arbeitsplätze schaffen wird. Gleichzeitig finalisierte es eine direkte Finanzierung von 275 Millionen $ im Rahmen des CHIPS‑Acts.

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Abschließende Gedanken zur Zukunft der Speichertechnologie

Speichertechnologie entwickelt sich weiter und gestaltet die Grundlage des modernen Rechnens neu. Von Phase‑Change‑Innovationen bis zu spintronic‑Durchbrüchen versprechen all diese Fortschritte schnellere, energieeffizientere und skalierbare Lösungen für KI, Big Data und die nächste Generation von Consumer‑Elektronik.

Die jüngste Entdeckung der Ni₄W‑Legierung mit ihrer feldfreien Magnetisierungsschaltung könnte sich als Wendepunkt erweisen, die Lücke zwischen Kosteneffizienz und Hochleistungs‑Speicherlösungen schließen und möglicherweise den Weg für die breite Einführung von Spin‑Orbit‑Torque‑Speichern in der Mainstream‑Elektronik in den kommenden Jahren ebnen.

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Referenzen:

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