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Stanford University kombiniert die Vorteile von RAM und NV-Flash und erhöht die Energieeffizienz : Ausgabe 16/2016, 06.10.2016

Extrem schnell und mit Datenerhalt

Siliziumchips speichern Daten in Nanosekunden, aber Phasenwechselspeicher können das 1000-mal schneller und benötigen zudem weniger Energie und Platzbedarf. Das sind tolle News aus Amerika.

Autor: Henning Wriedt, USA-Korrespondent

Bilder: Tricia Seibold, Stanford University, Wikipedia

Siliziumspeicherchips gibt es grundsätzlich in zwei Versionen: als flüchtige Speicher wie Computer-RAM, die bei Stromabschaltung ihre Daten verlieren, und als NV-Flashtechnologien, die ihre Informationen auch nach der Stromabschaltung beibehalten.

Generell sind flüchtige Speicher sehr viel schneller als die NV-Speicher. Deshalb müssen Schaltungsdesigner je nach Speicheranforderung eine Balance zwischen Geschwindigkeit und Datenerhalt auswählen. Aus diesen Gründen bevorzugt man den langsameren Flashspeicher für eine permanente Datenspeicherung. Schnelle RAMs arbeiten dagegen mit Prozessoren, um Daten während der Verarbeitung vorläufig zu speichern.

Vielversprechende Forschungsarbeit

Eine aktuelle Stanford-Forschung zeigt nun, dass eine neue Speichertechnologie, die auf einer neuen Klasse von Halbleitermaterialien basiert, die Vorteile der beiden beschriebenen Welten liefern kann, und zwar eine permanente Datenspeicherung zusammen mit gewissen Funktionen, die etwa 1000-mal schneller sind als die aktueller Speicherelemente. Die neue Technologie scheint zudem energieeffizienter zu sein.

«Diese Forschungsarbeit ist vielversprechend», sagte Assistenzprofessor Aaron Lindenberg, der zudem Photonikwissenchaftler am SLAC National Accelerator Laboratory ist. Er leitete ein 19-köpfiges Team, deren Experimente in ‹Physical Review Letters› veröffentlicht wurden. «Eine tausendfache Geschwindigkeitsverbesserung mit weniger Energieverbrauch zeigt einen Weg zu zukünftigen Speichertechnologien, die weitaus besser sein können als alle derzeit vorhandenen Technologien.»

Elektronischen Zustand von Materialien durch einen Hitzeimpuls schalten

Phasenwechselspeicher könnten eine mögliche Technologie der nächsten Generation sein, denn Wissenschaftler wissen seit einiger Zeit, dass bestimmte Materialien eine flexible Struktur aufweisen, die interessante, elektronische Möglichkeiten bietet.

So können zum Beispiel Phasenwechsel­materialien zwei unterschiedliche Atomstrukturen aufweisen. Eine kristalline oder ordentliche Atomstruktur lässt Elektronen fliessen, während eine amorphe oder ungeordnete Struktur diesen Elektronenfluss unterbricht.

Forscher haben inzwischen Methoden entwickelt, um den strukturellen und elektronischen Zustand dieser Materialien durch einen Hitzeimpuls, der elektrisch oder optisch angewendet wird, umzuschalten. Erst ein weiterer Energiestoss kann eine weitere Umkehrung des stabilen Zustands auslösen.

Aber die permanente Speicherung ist nur eine erwünschte Eigenschaft. Zukünftige Speichertechnologien müssen bestimmte Funktio­nen schneller als heutige Chips ausführen. Mit besonders präzisen Messungen und Instrumenten wollten die Forscher die Geschwindigkeit und das Energiepotenzial der Phasenwechseltechnologie demonstrieren – was sie fanden, war ermutigend.

Die Forscher konzentrierten sich auf das unvorstellbar kurze Intervall, wenn eine amorphe Struktur beginnt, auf den kristallinen Zustand umzuschalten – wenn also eine digitale Null eine digitale Eins wird. Diese zwischenzeitliche Phase, wenn also die Ladung durch die amorphe Struktur wie in einem Kristall fliesst, ist als «amorphes Ein» bekannt.

Die Forscher setzten eine kleine Probe eines amorphen Materials einem elektrischen Feld aus, das in seiner Stärke mit einem Blitzschlag vergleichbar ist. Mit einem modernen Detektionssystem stellte man fest, dass der amorphe Zustand, der die Umstellung von «Null» auf «Eins» auslöst, weniger als eine Picosekunde nach dem «Blitzschlag» auftrat. Zum Vergleich: Eine Picosekunde benötigt das Licht, um durch zwei Blatt Papier zu wandern. Wenn das Phasenwechselmaterial in derart kurzer Zeit den Zustandswechsel durchführen kann, wird diese Technologie die Daten erheblich schneller als Silizium-RAMs speichern.

Aber auch Raumbedarf muss beim Komponentendesign immer in Betracht gezogen werden. Frühere Experimente zeigten, dass die Phasenwechseltechnologie potenziell mehr Daten pro Raumeinheit speichern kann als die Siliziumtechnologie.

Hinsichtlich des Energiebedarfs weisen die Forscher darauf hin, dass das elektrische Feld für die Auslösung der Phasenänderung extrem kurz ist. Das bedeutet, dass die Phasenwechseltechnologie sicherlich energieeffizienter sein wird als die heutigen Siliziumtechnologien. Der Forschungsbericht trägt den Titel «Picosecond electric-field-induced threshold switching in phase-change materials.» Mit den Stanford-Forschern arbeiteten Kollegen vom Argonne National Laboratory in Illinois und von der RWTH Aachen in Deutschland.

Etwas Geschichte zum Memristor

Die Vision und der Name des Memristors wurden 1971 vom Schaltungstheoretiker Leon Chua geprägt. Ein Memristor würde demnach hypothetisch so funktionieren: Der elektrische Widerstand des Memristors ist nicht konstant, hängt aber von der Historie vom Strom ab, der vorher durch das Element geflossen ist. Der jeweils gegenwärtige Widerstand hängt von der elektrischen Ladungsmenge ab, die vorher durchgeflossen ist. Der Memristor erinnert seine Historie – die sogenannte Nichtflüchtigkeit.

2008 meldete ein Forscherteam von HP Labs, dass es Chuas Memristor gefunden hatte, basierend auf einer Analyse eines Dünnfilms aus Titandioxid. Dadurch entstand eine Verbindung des Memristorkonzeptes zur Funktion eines RRAM. 

Forschungsbericht: 16_16.01.pdf

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Datenspeicherung mit der Phasenwechseltechnologie


Konzeptionelle Symmetrien von Widerstand, Kondensator, Induktivität und Memristor