Zukünftiger Trend - Rechnen direkt im Speicher

200 Mal schneller: IBM demonstriert massiv-paralleles In-Memory-Computing

| Autor / Redakteur: Michael Eckstein / Rainer Graefen

Vorreiter: Der Prototyp des In-Memory-Coprozessors von IBM Research nutzt 1 Mio. PCM-Elemente.
Vorreiter: Der Prototyp des In-Memory-Coprozessors von IBM Research nutzt 1 Mio. PCM-Elemente. (Bild: IBM Research)

IBM Research hat einen In-Memory-Coprozessor entwickelt, der Phase Change Memory (PCM) nutzt. Er kann Berechnungen direkt im Speicher ausführen – 200-mal schneller als herkömmliche Von-Neumann-Computer.

Aktuelle Rechnerarchitekturen basieren in der Regel auf Gedankenmodellen des österreich-ungarischen Mathematikers John von Neumann. Sie trennen den Datenbereich von der Berechnungslogik, erfordern also ständiges Laden und Speichern von Daten. Alternativen sind rar und meist experimentell. Als Vorlage dient oft das menschliche Gehirn: Dieses ist in der Lage, Daten massiv parallel direkt am Speicherort zu verarbeiten.

Computerarchitekturen, die diese Fähigkeiten nachzubilden versuchen, verwenden typischerweise memristive Nanozellen (memresistive devices). Dr. Abu Sebastian, IBM-Forscher in Zürich, erläutert deren Besonderheiten: „Der Widerstand dieser resistiven Memory-Elemente, kurz: Memristoren, hängt vom Strom ab, der zuvor durch die Zelle geflossen ist.“ Daher können sie einerseits Daten nichtflüchtig speichern, andererseits aber auch gleichzeitig als Transistor arbeiten.

Das bedeutet: Darauf basierende Architekturen brauchen nicht zwischen Datenspeicher und Prozessorhardware unterscheiden. Logikoperationen lassen sich direkt im Speicher ausführen. Da diese Computer nicht wie die Von-Neumann-Rechner wiederholte Lade- und Speicheroperationen durchführen müssen, sollen sie wesentlich effizienter arbeiten.

Spezialspeicher auf dem Weg in den Massenmarkt

Das Problem ist nur: Speicher auf Basis von Memristoren ist teuer und bislang nur mit geringen Kapazitäten verfügbar. Dazu zählt Phasenübergangs-Speicher (Phase-Change Memory, PCM): Die auch als PCRAM bezeichnete Technologie nutzt Phasenübergänge des Substrats zum Speichern von Informationen. Ein PCM-Element kann – über den Stromfluss thermisch gesteuert – zwischen dem kristallinen und dem amorphen Zustand seines Materials wechseln. In beiden Fällen unterscheidet sich der elektrische Widerstand, so dass das Element als Speicherzelle und als Schaltelement dienen kann. Nach außen verhält sich PCM wie nichtflüchtiger NOR-Flash-Speicher. Dieser kommt beispielsweise in vielen Smartphones zum Einsatz.

Nun hat IBM Research in Zürich hat einen Weg gefunden, dreidimensionale Stapel von Phasenübergangs-Speicherbausteinen als Massenprodukt herzustellen. Das neue 3D-Fertigungsverfahren könnte nun den Weg zu günstigen PCM-Komponenten mit hoher Speicherkapazität ebnen.

Der PCM-Baustein des Unternehmens besteht aus einer Germanium-Antimon-Tellurid-Legierung, die zwischen zwei Elektroden liegt. Fließt nun ein definierter Strom durch das Element, wechselt das Material von einer amorphen in eine kristalline Phase. Die Widerstandswerte lassen sich leicht stufenweise kontrollieren. Sie variieren zwischen extrem niedrig, was einer digitalen 0 entspricht, und extrem hoch, was der digitalen 1 entspricht. Zusätzlich können sie aber auch beliebige Werte dazwischen annehmen, was einen quasi analogen Betrieb ermöglicht.

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