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Computerspeicher, die Strom sparen

Von Roland Knauer

Wissen
Arbeitsspeicher eines Computers: Magnete fressen weniger Energie als Kondensatoren. Foto: corbis

Derzeit verwendete Elektrospeicher erzeugen eine Menge Abwärme. | Abgeschrägte Mini-Magnetscheiben können teure Ventilatoren künftig ersparen. | Dresden. Im Nachhinein hört sich der Durchbruch in der Grundlagenforschung ganz einfach an. Während eine Scheibe normalerweise außen eine senkrechte Kante hat, schrägen Norbert Martin und Jeffrey McCord vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf den äußeren Rand ihrer Magnetscheiben ab. "Dadurch entstehen Strukturen, die man bisher nicht schaffen konnte", erklärt der Materialforscher McCord. Interessant könnten die abgeschrägten Mini-Magnetscheiben für die Datenverarbeitung werden, berichten die Dresdener Forscher in der Fachzeitschrift "Advanced Functional Materials".


Bisher besteht der Arbeitsspeicher eines Computers im Prinzip aus winzigen Elektro-Kondensatoren, die beim Rechnen laufend ein- und ausgeschaltet werden. Computerhersteller würden diese Elektrospeicher gerne durch Magnetspeicher ersetzen. Denn die winzigen Stromflüsse liefern nicht nur Rechenleistung, sondern sie erzeugen auch einiges an Abwärme. Die ist nicht nur verschwendete Energie, sondern muss auch mit relativ lauten Ventilatoren abgeführt werden. Die Kondensatoren verlieren zudem laufend Ladung, die immer wieder unter Energieverbrauch aufgefrischt werden muss.

Schaltet man dann noch dazu den Strom zu Feierabend aus, werden die Kondensatoren im Arbeitsspeicher entladen und die Daten sind weg. Beim nächsten Hochfahren muss sich der Computer die Informationen für das Betriebssystem und die Programme daher wieder von der Festplatte in den Arbeitsspeicher holen. Was wiederum Energie frisst.

Auf der Festplatte sind die Daten in winzigen magnetischen Bereichen gespeichert, damit sie auch nach dem Ausschalten erhalten bleiben. Als Arbeitseinheit aber lässt sich eine Festplatte kaum verwenden, weil man die magnetischen Bereiche nur mit relativ starken äußeren Magnetfeldern umpolen kann, um die Daten nutzbar zu machen.

Eine Möglichkeit bieten nun die winzigen Magnetscheiben der Helmholtz-Forscher. In diesen Mini-Scheiben ordnen sich winzige Magnete in verschieden großen Kreisen ringförmig an. Die Magnete können im oder gegen den Uhrzeigersinn um die Scheibe führen. Genau wie bei Kondensatoren in herkömmlichen Arbeitsspeichern, die entweder eine elektrische Ladung speichern oder nicht, gibt es also auch bei den Magnetwirbeln zwei unterschiedliche Zustände. Anders als auf der Festplatte aber lassen sich diese beiden magnetischen Zustände nicht mit starken und damit viel Energie verbrauchenden Magnetfeldern, sondern mit einer "Spin" genannten Eigenschaft der Elektronen umschalten, die weniger Strom braucht.

Vier magnetische Zustände

Zudem kann man in die Magnetwirbel die doppelte Informationsmenge wie in Kondensatoren packen: Im äußeren Bereich des Wirbels liegen die Magnetteilchen zweier benachbarter Kreise parallel, während in der Mitte der Scheibe der Platz für das parallele Liegen nicht reicht. Da jede andere Anordnung aber viel Energie kosten würde, drehen sich die Magnetteilchen in der Mitte aus der Ebene der Scheibe heraus und können so wieder energiesparend nebeneinander liegen.

Da die Teilchen entweder nach oben oder nach unten aus der Scheibe ragen können, gibt es zwei weitere magnetische Zustände, zwischen denen ebenfalls hin- und hergeschaltet werden kann. Insgesamt gibt es so die vier Magnetzustände rechtsdrehend nach oben, linksdrehend nach oben, rechtsdrehend nach unten und linksdrehend nach unten.

Das Ganze funktioniert jedoch nur, wenn die einzelnen Magnetwirbel Abstand voneinander halten oder relativ groß sind. Computerbenutzer aber wollen möglichst kleine Datenverarbeitungseinheiten - bei denen konsequenterweise auch die Magnetwirbel klein sein und eng nebeneinander liegen müssen. Dann aber beeinflussen sich die Magnetkreise gegenseitig, weil die Mini-Scheiben einander magnetisch anziehen. Für einen Arbeitsspeicher wären das kaum gute Voraussetzungen.

Gordischer Knoten

Den gordischen Knoten könnten die Experimente von Martin und McCord durchschlagen. Stehen die äußeren Kanten der kleinen Magnetscheiben nicht senkrecht zur Ebene der Scheibe, sondern verlaufen sie schräg, werden am Rand die winzigen Magnetteilchen ein wenig in Richtung Schräge abgelenkt. Bei einer senkrechten Kante entsteht die in der Mitte aus der Scheibe herausragende Komponente zufällig nach oben oder nach unten. An diese Richtung müssen sich die Magnete am Rand der Scheibe anpassen und brauchen dazu relativ viel Energie. Die schräge Außenkante aber lässt dieses Magnetfeld bevorzugt in die Richtung der Schräge entstehen, was weniger Energie kostet. Deshalb entstehen jetzt die Magnetwirbel leichter.

Wie aber stellt Martin die Scheiben mit den schrägen Kanten her? Er gibt winzige Glaskügelchen auf eine dünne Magnetschicht. Die Glaskugeln liegen nebeneinander und bilden winzige Sechsecke mit kleinen Lücken dazwischen. Befeuern die Wissenschafter die Schicht mit Argon-Ionen, schlagen die atomaren Geschosse durch die Lücken aus der darunter liegenden Magnetschicht Partikel heraus. Die Glaskugeln wirken als Schablone: Unter jeder Glaskugel bleibt eine magnetische Scheibe stehen, während unter den Lücken die Magnetschicht verschwindet.

Die Argon-Ionen splittern auch Teile der Glaskugeln ab und erreichen auch etwas weiter innen liegende Bereiche der darunter entstehenden Magnetscheiben. Weil dort der Beschuss kürzer dauert, splittert innen weniger Material ab. Wie von selbst entsteht die gewünschte schräge Kante.