Van-der-Waals-Magnete Studie stellt Speicher mit „bis zu 99 Prozent geringerem Energiebedarf“ in Aussicht

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In Anbetracht des aktuellen Speichermarkts sorgt eine Studie der Universität Edinburgh für Aufsehen: Optimierte Magnetfeldpulse könnten den Schreibenergiebedarf künftiger Magnetspeicher gegenüber bestehenden Technologien um „etwa zwei Größenordnungen“ senken. So jedenfalls die Theorie. Doch wie anwendbar sind solche Behauptungen auf das aktuelle Speicherumfeld?

Ein Forschungsteam der Universität Edinburgh hat ein mathematisches Verfahren entwickelt, mit dem sich magnetische Zustände in Computersimulationen energieeffizienter umschalten lassen. Zeitlich optimierte Magnetfeldpulse dürften dabei den berechneten Energieaufwand gegenüber einfachen feldgetriebenen Schaltverfahren erheblich verringern. Die in Advanced Materials veröffentlichte und im Open Access einsehbare Arbeit könnte damit Perspektiven für künftige magnetische Speicher eröffnen – vorausgesetzt, sie lassen sich wirtschaftlich realisieren.

Die Studie untersuchte primär einen Ansatz, der sich von aktuell existierenden Ansätzen wie Ferromagnetischen oder magnetoresistiven Speichern unterscheidet: Atomar dünne Van-der-Waals-Magnete aus den Verbindungen Fe₃GaTe₂, Fe₃GeTe₂ und CrSBr. Solche Schichtmaterialien gelten als Kandidaten für neuartige spintronische Bauelemente, in denen die magnetische Ausrichtung Information repräsentiert. Die Forschenden simulierten sowohl die Umkehr dieser Ausrichtung als auch das gezielte Auflösen eines Skyrmions, einer lokal begrenzten, wirbelförmigen Spinstruktur. Die Ergebnisse beziehen sich damit auf grundlegende Vorgänge möglicher zukünftiger Speicherzellen.

„Bis zu zwei Größenordnungen“: Woher die berechneten Energieeinsparungen kommen

Die Methode beruht auf der Theorie der optimalen Steuerung, englisch Optimal Control Theory (OCT). Sie berechnet einen zeitlichen Feldverlauf, der die Magnetisierung innerhalb einer vorgegebenen Dauer möglichst energieeffizient in den Zielzustand führt. Dabei werden die Eigenbewegung und Dämpfung der magnetischen Momente berücksichtigt. Gegenüber einem während des Schaltvorgangs konstanten Gegenfeld lässt sich so der erforderliche Ansteuerungsaufwand reduzieren.

Nach Angaben der Forschenden könnte die optimierte Ansteuerung den Energiebedarf für das magnetische Umschalten in den untersuchten Van-der-Waals-Systemen gegenüber konventionellen Magnetfeldprotokollen potenziell um bis zu zwei Größenordnungen senken – also auf etwa ein Hundertstel, entsprechend rund 99 Prozent weniger Energie.

Dieser berechnete Vorteil bezieht sich allerdings auf bestimmte modellierte Schaltvorgänge in den neuartigen magnetischen Materialien. Er beschreibt weder eine nachgewiesene Einsparung bei vollständigen Speicherchips noch eine generelle Überlegenheit gegenüber heutigen Speichertechnologien. DRAM, SRAM sowie STT- und SOT-MRAM werden in der Studie zusätzlich anhand veröffentlichter Energiewerte verglichen; die neue Methode wurde auf diese Referenztechnologien jedoch nicht angewendet. Auch wenn sich also eine merkliche Energieeinsparung beim Einsatz solcher Speicher ergeben könnte: Der potenzielle Faktor 100 lässt sich nicht pauschal auf deren Energiebedarf übertragen.

Besonders niedrige Werte ergeben sich in einem weiteren Modellvergleich für einen CrSBr-ähnlichen Magneten mit einer Fläche von 5 × 5 nm² und geringer magnetischer Dämpfung. Hier nennen die Autoren rund 9 Femtojoule bei 6 Nanosekunden Schaltzeit und etwa 2,4 Femtojoule bei 20 Nanosekunden. Bei 25 Nanosekunden sinkt der Wert auf 1,91 Femtojoule. Schnellstes Schalten und niedrigster Energiebedarf fallen somit nicht zusammen: Für 0,2 Nanosekunden werden beispielsweise 356 Femtojoule berechnet.

Eine durchgängige Überlegenheit gegenüber anderen Verfahren zeigen die Daten nicht. So nennt die Studie für einen experimentellen SOT-Schaltvorgang etwa 0,4 Pikojoule bei 270 Pikosekunden, während das dort gegenübergestellte OCT-Modell für CrSBr bei vergleichbarer Dauer 3 Pikojoule benötigt. In diesem Betriebspunkt ist die Referenz also günstiger. Aussagen über Effizienzvorteile müssen deshalb Schaltzeit, Material, Abmessungen und Betriebsbedingungen berücksichtigen.

DRAM und Flash profitieren nicht unmittelbar

Auf marktübliche DRAM-Arbeitsspeicher lässt sich das untersuchte magnetische Verfahren nicht direkt übertragen. DRAM speichert Information als elektrische Ladung in Kondensatoren; SRAM nutzt bistabile Transistorschaltungen. NAND-Flash in SSDs arbeitet ebenfalls mit gespeicherten Ladungen. Diese Bauelemente besitzen keine magnetischen Speicherzustände, die sich mit den berechneten Pulsen umschalten ließen. Ihre Erwähnung als Vergleichsmaßstab bedeutet daher keine nachgewiesene Einsparmöglichkeit durch eine veränderte Magnetfeldansteuerung.

Näher liegt eine Übertragung auf magnetoresistive Speicher. STT-MRAM schaltet mittels Spin-Transfer-Drehmoment, SOT-MRAM mittels Spin-Bahn-Drehmoment; in beiden Fällen wirken strominduzierte Drehmomente auf die Magnetisierung. Nach Einschätzung der Autoren lässt sich der mathematische Ansatz auf Strom- oder Spannungspulse erweitern. Dafür müssten jedoch die jeweiligen Antriebsmechanismen und Bauelementeigenschaften in die Optimierung aufgenommen werden. Konkrete Einsparfaktoren für bestehende STT- oder SOT-MRAM-Produkte liefert die Arbeit nicht.

Dabei unterscheiden sich die technologischen Reifegrade deutlich. STT-MRAM ist bereits kommerziell verfügbar: Everspin oder Samsung bieten unter anderem einen 1-Gbit-Baustein mit DDR4-ähnlicher Schnittstelle für Rechenzentrums- und Unternehmensspeicheranwendungen an. SOT-MRAM wird weiterhin intensiv auf Bauelement- und Arrayebene entwickelt; imec stellte auf der IEDM 2025 beispielsweise ein 4-Kbit-Array mit feldfreiem Schalten vor und legte dieses Jahr neue Erkenntnisse zur Optimierung ferromagnetischer Speicher vor. Die an der University of Edinburgh simulierten Van-der-Waals-Systeme sind von solchen integrierten Speicherlösungen nochmals zu unterscheiden.

Für bestehende Systeme ergibt sich daraus zunächst eine Forschungsperspektive für verbesserte Schreibverfahren und neue Zellkonzepte. Ein Austausch etablierter Speicher müsste aber zusätzlich hinsichtlich Speicherdichte, Datenhaltung, Fehlerrate, Schreibfestigkeit, Fertigbarkeit und Kosten überzeugen. Auch die Ansteuerung einzelner Zellen ohne Beeinflussung benachbarter Bits wäre nachzuweisen. Ein günstiger Energiewert für einen isolierten Schaltvorgang beantwortet diese Fragen noch nicht.

Modellannahmen begrenzen die Aussage für reale Systeme

Eine wesentliche Einschränkung betrifft die Temperatur. Die optimalen Schaltprotokolle wurden bei 0 Kelvin berechnet; ergänzende Vergleiche des konventionellen Schaltens berücksichtigen unter anderem 4 und 10 Kelvin. Eine Erweiterung der Optimierung auf thermische Fluktuationen nennen die Autoren als nächsten Schritt. Dass Fe₃GaTe₂ grundsätzlich Ferromagnetismus bei Raumtemperatur aufweist, belegt noch keinen zuverlässigen Betrieb der berechneten Speicherprozesse bei üblichen Chiptemperaturen.

Auch die Energiebilanz ist modellabhängig. Optimiert wird eine Kostenfunktion, die das zeitlich und räumlich integrierte Quadrat des Steuerfelds berücksichtigt und den Aufwand zur Pulserzeugung abbilden soll. Dabei setzen die Forschenden unter anderem einen konstanten Widerstand der felderzeugenden Vorrichtung von einem Ohm an. Die angegebenen Energien sind folglich berechnete Größen unter festgelegten Annahmen. Sie ersetzen keine Messung einer vollständigen Schreibschaltung einschließlich Pulsgenerator, Leitungen, Auswahltransistoren und weiterer Peripherie.

Die in der begleitenden Kommunikation betonte Nähe zur Landauer-Grenze bedarf ebenfalls einer Einordnung. Diese bezeichnet die thermodynamische Untergrenze für logisch irreversible Informationslöschung, nicht pauschal für jeden Bitwechsel. Bei 300 Kelvin beträgt sie rund 2,9 × 10⁻²¹ Joule je gelöschtem Bit. Selbst der niedrige Studienwert von 1,91 Femtojoule liegt rechnerisch noch etwa 660.000-mal darüber. Zudem ist diese Gegenüberstellung keine Validierung der bei 0 Kelvin optimierten Dynamik für Raumtemperatur, was etwa Studien von IBM zu diesem Thema betonen.

Experimentelle Prüfung steht noch aus

Für eine experimentelle Prüfung schlagen die Autoren magnetische Schichten auf integrierten Übertragungsleitungen sowie Mikrospulen oder koplanare Wellenleiter zur Felderzeugung vor. Die Pulse könnten elektrisch oder mithilfe lasergetriggerter Schalter erzeugt werden. Strom und Spannung sollen dabei messtechnisch erfasst werden, um die tatsächlich zugeführte Energie zu bestimmen. Für spätere Arrays diskutiert die Arbeit vereinfachte, wiederverwendbare Pulsformen, deren Parameter vorab optimiert werden könnten. Eine solche Umsetzung bleibt noch zu demonstrieren.

Für den Energiebedarf von KI-Rechenzentren, wie es die Pressemitteilung andeutet, lässt sich deshalb derzeit kein belastbarer Einsparfaktor angeben. Selbst eine erhebliche Reduktion der Schreibenergie einzelner Speicherzellen würde nur einen Teil des Verbrauchs beeinflussen: Rechenoperationen, Datenübertragung, Lesezugriffe, Speicherperipherie und Kühlung bleiben weitere Verbraucher. Der belegte Fortschritt liegt im rechnerischen Nachweis günstigerer magnetischer Schaltwege. Ob daraus ein Vorteil gegenüber marktreifen Speichern entsteht, müssen Versuche an integrierten Bauelementen und vollständige Energiebilanzen zeigen. (sg)

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