Die Datenspeicherung von morgen Teil 2

Magnetische Speicherchips, Molekül- und Phasenwechselspeicher

28.07.2007 | Autor / Redakteur: Rainer Graefen / Nico Litzel

Für viele Einsatzgebiete mit „embedded“ Computertechnik, wie beim Auto, Haushaltsgeräten, Mobilfunktechnik oder intelligenter Kleidung, sind weder Festplatte, noch DRAM noch Flash-Speicher geeignet. Diese Medien würden die Stromversorgung zu stark belasten. Forschungsabteilungen in aller Welt suchen deshalb nach anderen Verfahren, die ähnliche Fähigkeiten wie Flash-Speicher haben, aber weniger Strom verbrauchen und auch ein wenig schneller schalten.

MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory) und FRAM (Ferroelectric Random Access Memory) sind die beiden Favoriten der Halbleiterbranche. Das Manko bislang: Es werden nur unzureichende bis mäßige Speicherkapazitäten erreicht. Ein Vorteil der magnetischen Speicherchips: Sie verbrauchen wenig Strom, verlieren nicht ihre Daten im stromlosen Zustand und arbeiten fast so schnell wie DRAMs.

Bei MRAMS werden zwei dünne Magnetschichten durch eine isolierende Zwischenschicht getrennt. Die untere Schicht ist ein Dauermagnet, der seine Polarisierung nicht ändert. Die obere Magnetschicht ändert dagegen schon bei kleinen Strömen ihre Richtung. Je nachdem, ob beide Schichten in dieselbe oder in die entgegengesetzte Richtung zeigen, ändert sich der elektrische Widerstand. Ein hoher Widerstand, wenn die Schichten antiparallel verlaufen, kann als logisch „0“, ein geringer Widerstand als logisch „1“ interpretiert werden.

Ein größeres technisches Problem ist es allerdings, eine dichte Matrix mit vielen Kreuzungspunkten aufzubauen. Halbleiterhersteller Cypress erreichte mit serienreifen MRAMs Speicherkapazitäten von nur 256 Kilobit. Die Firma verkaufte die Technik, da man die angestrebten Kapazitäten zwischen 4 und 64 Megabit nicht konkurrenzfähig herstellen konnte.

Konkurrent Ramtron dagegen liefert seit Anfang 2005 einen FRAM-Chip mit einem Megabit Kapazität aus. FRAMs nutzen den ferroelektrischen Effekt: Wird eine Spannung an die Matrix angelegt, so ändert sich die elektrische Polarisation in einer dünnen Schicht. Diese Änderung ist dauerhaft – bis zum nächsten Spannungsimpuls.

Die relativ hohe Kapazität und ähnliche Eigenschaften wie bei den MRAMs reichen zumindest aus, elektrisch lösch- und programmierbaren ROMs (EEPROMs) Konkurrenz zu machen. EEPROMs sind jedoch nur ein Nischenprodukt. Sie werden bei hardwarenaher Programmierung in Testumgebungen eingesetzt. Schnellere Speicher à la FRAM würden allerdings nicht nur die Löschphase verkürzen, sondern es ließen sich auch realitätsnahe Bedingungen simulieren.

Molekülspeicher

Man kann Molekülspeicher ähnlich wie FRAMs und MRAMs aufbauen, nur das Speichermaterial ändert sich. Zwischen den Kreuzungspunkten der matrizenförmig angeordneten Adressleitungen arbeiten dann Moleküle als Speichermedium. Diese sollen sich der Theorie nach in einen hoch- und einen niederohmigen Zustand bringen lassen, der dann als logisch „0“ beziehungsweise logisch „1“ interpretiert wird. Die Speicherdichte ist bei dieser Variante nur abhängig von der Verdichtung der Adressleitungen. Im Forschungszentrum Karlsruhe wird derzeit mit Kohlenstoff-Nanoröhren experimentiert, die sich selbst organisierend zu größeren Adressleitungsflächen zusammenfügen sollen.

Alle Technologien, die den Transistor durch Molekülspeicher oder Proteine wie Bakteriorhodopsin ersetzen wollen, sind nach dem derzeitigen Stand der Technik keine Alternative zu den Flash-Speichern. Mit den Fortschritten der statischen RAMs (SRAMs) kann nicht Schritt gehalten werden. Das heißt aber nicht, dass neue Speichertechniken keine Chance hätten. Sie könnten durchaus bei RFID eingesetzt werden oder in Konsumergeräten wie Mobiltelefonen, Multimedia-Playern und Digitalkameras oder auch in Chipkarten und Pässen eine Chance bekommen. Billigere Speichertechnik findet immer ihre Abnehmer.

Phasenwechselspeicher – amorph oder kristallin

Phasenwechselspeichern wird eine große Zukunft vorhergesagt. Sie sind 100-mal schneller als Flash-Speicher, sie lassen sich in nur zwei Lithografieschritten und damit sehr einfach herstellen. Zudem kommen sie mit Spannungen im Ein-Volt-Bereich aus und überstehen nach ersten Erkenntnissen eine Million Schreib-Lösch-Zyklen.

Letzteres ist ein größeres Problem bei USB-Sticks, da diese ihre Lebenszeit nach einigen zehntausend Schreib-Lösch-Zyklen überschritten haben. Diese geringe Zyklenzahl der Flash-Memory-Sticks könnte sich noch als ärgerliches Problem erweisen, da dummerweise ohne weitere Intelligenz immer wieder dieselben Speicherblöcke verändert werden, sodass der unerwartete Datenverlust auf den Sticks vorprogrammiert ist.

Das Speichermaterial der Phasenwechselspeicher, kurz PRAMs (Phase Change RAMs) genannt, wird durch einen Laserstrahl erhitzt und damit vom kristallinen in den amorphen Zustand und zurück gezwungen. Diese Materialumformung verändert zum einen den Reflexionswinkel (der Effekt wird bei wieder beschreibbaren CDs ausgenutzt), zum anderen ändert sich auch der elektrische Widerstand.

PRAM-Speicherzellen benötigen nur etwa ein Drittel der Fläche von Flash-Zellen, sodass sich die Forscher große Speicherkapazitäten versprechen. Etwa 2010 wollen Intel und Philips serienreife Produkte vorstellen.

Lesen Sie am Montag im dritten und letzten Teil: Millipede – die Nano-Lochkarte.

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