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Donnerstag, 16. November 2017, Ausgabe Nr. 46

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Speicher

IBM-Forscher entwickeln neue Generation Phase-Change Memory

Von M. Matzer/Jens D. Billerbeck | 7. Oktober 2011 | Ausgabe 40

Phase-Change Memory, kurz PCM, ist eine der Technologien, die mittelfristig neben Flash- und Dram-Speichern neue Anwendungsfelder erschließen könnte: Ausgenutzt wird dabei der wechselnde Widerstand eines Materials in kristallinem bzw. amorphem Zustand. IBM-Forschern ist es jetzt erstmals gelungen, in einer solchen PCM-Zelle mehr als 1 bit über längere Zeit zu speichern.

IBM-Forschern in Zürich ist ein Durchbruch in der Chiptechnologie für Phasenwechselspeicher (Phase-Change Memory, PCM) gelungen. Der neue Speicher kann nicht nur einzelne Bits, sondern gleich mehrere Bits pro Speicherzelle zuverlässig über lange Zeiträume speichern. PCM-Chips könnten durch ihre Eigenschaften Flash-Memory-Chips ablösen. IBM arbeitet daran, sie für Enterprise-Speicherlösungen, für Konsumelektronik und für Cloud Sto-
rage serienreif zu machen.

Die Technik des Phase-Change Memory ist bereits seit 40 Jahren bekannt. Dabei wechselt ein Material, dessen Speicherzellen man durch Strom- oder Spannungsimpulse gezielt erhitzt, seinen Zustand von kristallin mit geringem elektrischen Widerstand zu amorph mit hohem Widerstand. Auf diese Weise können in der Zelle binäre Informationen gespeichert werden.

Bislang war das Speichervermögen von PCM-Zellen nur mit einzelnen Bits zuverlässig demonstriert worden. Die Schweizer IBM-Forscher um Haris Pozidis erkannten, dass je nach angelegter Schreibspannung mehr oder weniger des Materials in der Zelle dem Phasenwechsel unterliegt und so verschiedene Widerstandswerte erreicht werden. So konnten die Forscher nun 2 bit pro Speicherzelle zuverlässig über längere Zeiträume speichern, indem sie vier Widerstandswerten die Bit-Kombinationen 00, 01, 10 und 11 zuwiesen.

Die bei PCM-Materialien vorhandene Widerstands-Drift, bei der sich der Widerstand der amorphen Zelle mit der Zeit ändert und so Lesefehler produzieren kann, adressierten die Forscher durch fortschrittliche Modulations- und Kodiertechniken, die Drift-tolerant sind. So haben Pozidis und seine Mitarbeiter beim Auslesen von Daten erstmals extrem geringe Fehlerraten, wie sie für Unternehmensanwendungen gefordert werden, erzielen können. Ihre PCM-Chips weisen einen hundertfach schnelleren Schreibprozess als die schnellsten Flash-Speicher auf und halten bis zu 10 Mio. Schreibzyklen. Das ist deutlich mehr als bei Flash Memory. Hier liegt die Zahl der möglichen Schreibzyklen zwischen 3000 bei Speicherchips für Konsumelektronik-Anwendungen und rund 30 000 bei Chips für Unternehmens-
applikationen.

"Zwischen Dram und Nand-Flashspeicher besteht eine Lücke, was Kapazität und Leistung angeht", erläutert Pozidis. "PCM-Speicherbausteine können diese Lücke füllen."

PCM und Multilevel-PCM sind sowohl Drams, wie sie als Arbeitsspeicher in PCs Verwendung finden, als auch Flash Memory in mancherlei Hinsicht überlegen. So etwa verlieren Drams ihre Informationen, wenn der Strom abgeschaltet wird, PCM dagegen ist wie Flash eine nichtflüchtige, dauerhafte Speichertechnologie.

Der IBM-Forscher stellt sich eine Palette von Einsatzbereichen vor. Mit PCM-Speichern könnten Speichergeräte und Server in Sekundenschnelle hochfahren und so die Gesamtleistungsfähigkeit von IT-Systemen erheblich steigern. Die Lesegeschwindigkeit für viele Online- und On-Demand-Anwendungen ließe sich damit erhöhen. Eine In-memory-Datenbankanwendung wäre ein weiterer Einsatzbereich, insbesondere dann, wenn man schnelle Drams mit PCM kombiniert, um den Zugriff auf den Hauptprozessor zu beschleunigen. So würden sich etwa Analyse-Anwendungen auf Trab bringen lassen.

Ein dritter Bereich sind laut Pozidis alle Geräte, in denen Speicher eingebettet sind (Embedded Systeme), z. B. in Steuergeräten von Flugzeugen, Autos und Maschinen. In Tablet-PCs und Smartphones kommt es vor allem auf die Langlebigkeit des Speichers an. So könnte PCM alle Flash-Speicherbausteine ersetzen. Dadurch würde man wesentlich langlebigere Massengeräte erhalten, die nicht schon nach maximal 30 000 Schreibzyklen den Dienst quittieren.

Zunächst werden einfache PCM-Chips wohl im Consumer-Bereich auf den Markt kommen, und zwar durch Hersteller wie Hynix, Micron oder Samsung. Doch schon 2016 soll IBMs Multi-Bit-PCM reif für den Einsatz in Enter-
prise-Bereichen sein. M. MATZER/jdb

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