Peter Grünberg

Ins neue Jahrtausend

1988 machte Professor Peter Grünberg eine Entdeckung, die neue Standards für die Datenspeicherung auf Festplatten setzte. Heutzutage ist seine Erfindung allgegenwärtig; sie ist im Alltag in vielen Bereichen zu finden, von der Computernutzung bis zum mobilen Entertainment.

Grünberg arbeitet bis heute in leitender Funktion als Physiker am Forschungszentrum Jülich in Deutschland. Sein Patent wurde 1994 veröffentlicht. Vier Jahre später wurde er für seine Erfindung – die die Datenspeicherung grundlegend revolutioniert hat – mit dem Deutschen Zukunftspreis ausgezeichnet.

Der von Grünberg entdeckte Riesenmagnetwiderstand (GMR-Effekt) stellt eine Weiterentwicklung der Vorgängertechnologie, der magnetoresistiven Lesekopftechnologie, dar. Damit lässt sich das auf der Festplatte gespeicherte Datenvolumen im Vergleich zur Speicherfläche beträchtlich erhöhen. Die Festplattenkapazität eines üblichen Computers konnte dank der Erfindung um das bis zu Fünfzigfache gesteigert werden (von etwa 10 GB im Jahr 1997 auf 100 bis 500 GB heutzutage).

Darüber hinaus ebnete Grünbergs Erfindung den Weg für die kommerzielle Herstellung von Festplatten-Videorekordern und die laufende Entwicklung von MRAM, einer Technologie, mit deren Hilfe Computer schneller hochgefahren werden können.

Die Entwicklung leichter Miniatur-Festplatten hat zudem ein neues Zeitalter mit kompakten, mobilen Geräten wie MP3-Playern oder Digitalkameras eingeleitet. Man denke beispielsweise an die Produktion von Kleingeräten und die Veränderung der Umsatzstruktur bei Apple, das mit dem festplattenbasierten iPod wohl den bekanntesten MP3-Player der Welt herstellt. Im ersten Quartal des Geschäftsjahrs 2006 belief sich der Umsatz mit dem iPod auf 2,9 Milliarden USD, was 51 Prozent des Gesamtumsatzes von Apple entspricht.

Wie funktioniert die zugrundeliegende Technologie? Die Daten werden auf einer Festplatte als konsekutive Abfolge magnetisierter Bereiche in Schichten auf Platten gespeichert. Jeder dieser magnetisierten Bereiche weist eine von zwei möglichen Polarisierungen auf und entspricht der kleinsten digitalen Dateneinheit: einem Bit. Die Abfolge der Polarisierungen auf der rotierenden Platte entspricht dem digitalen Code der Daten. Dieser wird durch einen Lesekopf abgelesen, ähnlich wie ein Tonarm bei einem Plattenspieler die Platte abliest. Der Lesekopf misst dabei die Spannung des elektrischen Stroms, der durch die Bits erzeugt wird. Am einfachsten lässt sich die Speicherkapazität einer Festplatte erhöhen, indem man die magnetisierten Bereiche verkleinert. Dadurch verringert sich aber auch die Stärke des magnetischen Felds und die Spannung, was das Ablesen durch den Lesekopf erschwert.

An dieser Stelle kommt der GMR-Effekt ins Spiel, der es ermöglicht, sehr kleine magnetische Felder auf erschwingliche Weise zu erkennen. Wenn der GMR-Effekt genutzt wird, besteht der Lesekopf aus drei Schichten: Zwei ultradünne ferromagnetische Schichten werden durch eine nicht-ferromagnetische Schicht in der Mitte voneinander getrennt. Wenn die erste der beiden ferromagnetischen Schichten in die Nähe des Bits auf der Platte gerät, verändert sich die magnetische Polarisierung in dieser Schicht entsprechend der Polarisierung des Bits.

Die zweite ferromagnetische Schicht ist dauerhaft magnetisiert und erkennt die Ausrichtung des magnetischen Felds in der anderen Schicht, die das Bit ausliest. Dann wird ein elektrischer Impuls durch die beiden magnetischen Schichten geleitet. Wenn die Ausrichtung der magnetischen Felder in den beiden magnetischen Schichten gleich ist, ist der Widerstand gering und die Spannung hoch; wenn sie entgegengesetzt ist, ist der Widerstand hoch und die Spannung gering.

Die Vorgängertechnologien konnten kleinere Bits nicht auslesen, weil das magnetische Feld für den Lesekopf zu schwach war. Der GMR-Effekt ermöglicht es jedoch, schwächere magnetische Felder zu erkennen und dementsprechend den magnetisierten Bereich zu verkleinern.

IBM erwarb als erstes Unternehmen im Jahr 1995 eine GMR-Lizenz und stellte 1997 sein erstes Produkt vor. Durch die neue Technologie brach der Preis für 1 MB an Speicherkapazität von 20 Cents im Jahr 1997 auf nicht einmal einen halben Cent im Jahr 2001 ein. Im selben Zeitraum stieg der globale Umsatz mit Festplatten um 66 Prozent von 126 Millionen auf 209 Millionen USD an.

Heutzutage basieren über 90 Prozent aller Festplatten-Leseköpfe auf Grünbergs Entdeckung. Die Technologie ist dabei vielfältig einsetzbar und wird nicht nur für Festplatten genutzt. Verwendung findet sie insbesondere bei nicht-flüchtigen Memory-Chips und verschiedenen Sensoren, von ABS-Bremssystemen über Bezahlautomaten und medizinische Implantate.