Phase Change Memory könnte die neue Halbleiterklasse SCM begründen

PCM, eine Marktnische und eine Industriekooperation

| Redakteur: Rainer Graefen

Marktnische Storage Class Memory (SCM)

Weil IBM nicht allein in der PCM-Forschung tätig ist, besetzt man das Thema schon frühzeitig mit dem Begriff einer neuen Speicherklasse, dem Storage Class Memory, obwohl das GST-Material inzwischen gut, aber noch nicht vollständig beherrscht ist.

Die neue Speicherklasse leitet sich aus den primären Tugenden von PCM ab. Es schaltet schnell, es speichert Daten nichtflüchtig und es verbraucht auch im Betrieb nur wenig Strom. Fazit: PCM könnte die bessere Festplatte sein. Ob sich die Schaltgeschwindigkeit in den DRAM-Bereich steigern lässt, darüber wollte man sich bei IBM noch nicht auslassen.

Und dass sich am Basismaterial noch viel drehen lässt, treibt die Spekulationen an. IBM forscht, um dem Kostenvergleich mit Flash standzuhalten, schon grundsätzlich an Versionen, die mindestens zwei Bit, also vier Zustände speichern. GST ist theoretisch anscheinend sogar in der Lage ein ganzes Byte zu speichern. Und die Skalierfähigkeit von 40 zu 4 Nanometer wurde auch schon nachgewiesen. Die Steigerung der Flächendichte und damit einem großen Kostensenkungspotenzial ist schon heute absehbar.

Wenn SCM Realität wird, dann werden die Server der Zukunft wahrscheinlich keine Festplatte mehr besitzen, und der jetzige DRAM-Hauptspeicher wird zum Cache des nichtflüchtigen Halbleiterspeichers. Das gegenwärtig überstrapazierte Thema Big Data hätte dann genügend Raum, um vollständig im Arbeitsspeicher residieren zu können. Aber wie schon erwähnt, Spekulationen sind nicht die Sache von Dr. Eleftheriou, dafür ist er zu lange Wissenschaftler und kennt zu viele Unwägbarkeiten.

Erlaubtes Doping

Wie weit die Mitbewerber mit dem vielversprechenden Halbleiterspeicher sind, das ist geheimnisumwittert. Das Basismaterial GST wird zwar von allen gleichermaßen genutzt, aber jeder benutzt Dopingverfahren, die die ursprünglichen Materialeigenschaften verbessern sollen und deshalb strenger Geheimhaltung unterliegen.

Bei der Umwandlung vom kristallinen in den amorphen Zustand macht GST einerseits sehr schön interpretierbare Widerstandskurven. Außerdem lässt es sich sehr schnell in den kristallinen Zustand überführen, da ab einem bestimmten Schwellwert der eigentlich wenig leitende amorphe Zustand leitend wird und schlagartig innerhalb von einigen Zehntel Nanosekunden umschaltet.

Andererseits entspannt sich das Material in einer derzeit nicht exakt vorhersehbaren Art, vor allem während der ersten Mikrosekunden, was zu einem Shift, einer Verschiebung der gesamten Kurve auf der X-Achse führt. Bei IBM in Zürich hat man dieses Phänomen, das die Forscher Widerstandsdrift nennen, durch eine Adaption des Lesevorgangs und durch Codierung gut in den Griff bekommen.

Selbst nach über 200 Tagen konnten die 2-Bit-PCM-Zellen noch mit einer Rohfehlerrate von 10E-4 ausgelesen werden. Das klingt wenig, aber das Ergebnis wird ohne Korrekturverfahren erzielt. Ideen, wie sich das Speicherverhalten weiter verbessern lässt oder wie der Widerstanddrift mit etwas mehr Elektronik beherrschbar wird, hat das PCM-Team um Eleftheriou noch einige.

Eine Industriekooperation

IBM selbst forscht ausschließlich an Halbleitermaterialien, das Produzieren überlässt man anderen. Die zum 11. Juni 2012 vereinbarte Entwicklungspartnerschaft und Lizenzvereinbarung mit SK Hynix über Phase Change RAM (PCRAM) zeigt allerdings deutlich, dass die Industrie an das Potenzial von PCM glaubt und bereit ist, ihren Teil des Forschungsrisikos zu übernehmen.

SK Hynix ist seit den Anfängen von PCRAM im Jahr 2007 in die Entwicklung integriert und demonstrierte PCRAM-Protoypen in 42 Nanomerter Technik. Bei der Speicherkapazität wurden ein Gbit erreicht. Zum Vergleich: DDR3-RAMs wurden von Samsung Ende 2011 mit vier Gbit Speicherkapazität und 20 Nanometer Strukturen gefertigt. Damit wäre relativ betrachtet schon heute der Gleichstand beim Speichervermögen hergestellt.

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