Phasenwechselspeicher hat dazugelernt

IBMs Neustart bei PCM-Halbleiter-Speichertechnik

| Autor / Redakteur: Walter Schadhauser / Rainer Graefen

Die IBM Forscher verwendeten einen experimentellen Multi-Bit-PCM-Chip, der mit einer integrierten Standard-Leiterplatte verbunden war. Der Chip besteht aus einer Anordnung von 2 × 2 Millionen Zellen, die in vier Bereiche unterteilt sind und auf die nacheinander durch die Systemarchitektur (interleaving architecture) zugegriffen wird. Die Speichereinheit ist 2 × 1000 μm × 800 μm groß.
Die IBM Forscher verwendeten einen experimentellen Multi-Bit-PCM-Chip, der mit einer integrierten Standard-Leiterplatte verbunden war. Der Chip besteht aus einer Anordnung von 2 × 2 Millionen Zellen, die in vier Bereiche unterteilt sind und auf die nacheinander durch die Systemarchitektur (interleaving architecture) zugegriffen wird. Die Speichereinheit ist 2 × 1000 μm × 800 μm groß. (IBM Forschungslabor Rüschlikon)

IBMs Forschungsabteilung in der Schweiz hat einen Entwicklungsfortschritt bei der Flash-Alternative Phase Change Memory erzielt. Das Versprechen von einer langlebigen Speichertechnik mit kurzen Latenzzeiten könnte sich damit umsetzen lassen.

Es gibt einige Techniken, wie man Daten in Halbleitern dauerhaft speichern kann. Drei Verfahren sind derzeit en vogue und ähneln bekannten Techniken wie DRAM (Ladung), CD (Phasenwechsel) und Festplatte (Polarisation):

  • Die Flash-Technik sammelt Elektronen in einer Elektronenfalle und kann heute 8 Ladungsmengen, also 3 Bit, unterscheiden. Bei der Flächendichte ist Flash durch 3-D-Produktionsverfahren kaum zu übertreffen. Die Robustheit ist jedoch immer noch eine Schwachstelle.
  • Phase Change Memory (PCM) benutzt zur Unterscheidung von "0" und "1" ein Phasenwechselmaterial mit den beiden Zuständen amorph und kristallin. Mit den neuesten Forschungsergebnissen lassen sich nun auch bei PCM 8 Zustände durch die Messung des Widerstandes unterscheiden.
  • Das Magnetoresistive Random Access Memory (MRAM) erkennt die binären Zustände durch die Polarisation des magnetischen Materials. Geforscht wird allerdings noch nach dem besten Widerstands-Wirkmechanismus. Die Variante STT-MRAM (Spin-Torque Transfer) gilt als vielversprechender Ersatz von DRAM und SRAM.

Vergleichsweise gut

Die aktuelle Speicherlandschaft reicht von DRAM-Technologie über Magnetplattenspeicher bis hin zu den allgegenwärtigen Flash-Speichern. Doch in den letzten Jahren hat PCM als nichtflüchtiger Speicher Aufmerksamkeit auf sich gezogen, da es eine attraktive Kombination von Lese- und Schreibgeschwindigkeit, Haltbarkeit und Speicherdichte bietet.

IBM Forscher sehen PCM sowohl als eigenständigen Speicher sowie auch in Kombination mit Flash für Anwendungen, in denen die Technologie als extrem schneller Cache-Speicher dient. So könnte beispielsweise das Betriebssystem eines Mobiltelefons in PCM gespeichert werden, um ein sekundenschnelles Starten zu ermöglichen. Unternehmen könnten ihre Datenbanken in PCM speichern, um Abfragen für zeitkritische Online-Anwendungen wie Finanztransaktionen in Rekordzeit durchzuführen.

Das Funktionsprinzip von Phase Change Memory ist nun dauerbelastbar

Die so genannten Phasenwechselmaterialien weisen zwei stabile Zustände auf - eine amorphe und eine kristalline Phase mit tiefer beziehungsweise hoher elektrischer Leitfähigkeit. Um nun eine „1“ oder eine „0“ - also ein Bit - in einer PCM-Zelle zu speichern, wird ein hoher oder mittlerer elektrischer Strom an das Material angelegt.

Durch entsprechende Programmierung kann die „0“ in die amorphe Phase und die „1“ in die kristalline Phase geschrieben werden oder umgekehrt. Das Auslesen des Bits erfolgt dann durch die Detektion des Widerstandes mittels Anlegen eines schwachen Stromflusses. Dieses Verfahren liegt auch den wiederbeschreibbaren CD-RW und Blu-Ray-Disks zu Grunde.

Forscher von IBM und anderen Institutionen hatten bereits erfolgreich dieses Funktionsprinzip für die Speicherung von einem Bit pro Zelle in PCM demonstriert. Anlässlich des IEEE International Memory Workshop zeigen die IBM Forscher nun erstmals die Speicherung von drei Bits pro Zelle in einer Anordnung aus 64.000 Zellen und einer Ausdauerbelastung von einer Million Zyklen.

Um mehrere Bits pro Zelle speichern zu können, haben die IBM Forscher mehrere neuartige Technologien entwickelt: Verschiedene Verfahren zur Messung des Zellzustandes, die gegen den so genannten Drift (der schleichenden Veränderung der Stabilität der elektrischen Leitfähigkeit der Zelle) immun sind sowie neue drift-tolerante Kodierungs- und Detektionsverfahren. Drift verändert die Stabilität

Der universelle Speicher

Phase Change Memory ist, laut IBM Research, die erste Realisierung eines universellen Speichers mit Eigenschaften sowohl von DRAM als auch Flash. Damit antwortet die Technologie auf eine der zentralen Herausforderungen unserer Industrie”, erklärt Dr. Haris Pozidis, einer der Autoren und Manager der Non-Volatile Memory Forschungsgruppe bei IBM Research – Zürich. „Die Fähigkeit, drei Bits pro Zelle zu speichern, ist ein wichtiger Meilenstein für PCM, denn bei dieser Speicherdichte liegen die Kosten für PCM deutlich unter denen von DRAM und viel näher an denen von Flash.”

Für zusätzliche Robustheit der in einer Zelle gespeicherten Daten gegenüber Temperaturschwankungen der Umgebung sorgt zudem ein neuartiges Kodierungs- und Detektionsverfahren. Dieses Verfahren passt die Schwellwerte, die verwendet werden, um die in der Zelle gespeicherten Informationen zu detektieren, auf adaptive Weise an, so dass sie den Veränderungen aufgrund von Temperaturschwankungen folgen. Somit kann der Zellzustand zuverlässig auch nach Ablauf einer beträchtlichen Zeit nach der Programmierung des Speichers ausgelesen werden. Der Speicher ist damit nichtflüchtig.

Unser (vorläufiges) Fazit

Trotz der großen Fortschritte von IBM Research bei der Entwicklung einer robusten Mehrbit-PCM-Speicherzelle, entscheidend für den produktiven Einsatz ist das alles nicht. Der technische Vergleich von PCM mit Flash bei Drift, Variabilität, Empfindlichkeit auf Temperaturschwankungen und Belastbarkeit durch Schreibzyklen fällt einerseits positiv aus.

Andererseits zeigen Bemerkungen über den Kostenvergleich "billiger als DRAM (die teuerste Speichertechnik überhaupt, die Red.) und näher an denen von Flash", dass Produktionspartner Hynix - IBM selbst will das nicht tun - noch viel Arbeit investieren muss.

Zudem basiert die Charakterisierungplattform auf physikalisch unkritischen 90 Nanometern (nm) Strukturen. Bei Flash ist man aktuell auf 14 nm und muss hier schon die physikalischen Grenzen austricksen. Nicht zuletzt hat Samsung, größter Halbleiterspeicherhersteller vor kurzem bekannt gegeben, dass man in Ruchtung MRAM und ReRAM marschieren wolle. Von Vertrauen in die eigene PCM-Technik war nicht die Rede.

Technische Erfolge allein reichen nicht aus, um Flash abzulösen und eine bessere universell einsetzbar Speicherplattform zu schaffen. Die gibt es nur, wenn man Daten so schnell abgreifen kann wie bei DRAM und wenn man Daten so lange aufbewahren kann wie bei Tape. Und billiger als Flash muss es auch noch sein.

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