Nichtflüchtiger elektronischer Speicher Was ist Phase Change Memory (PCM) oder Phase Change RAM (PCRAM, PRAM)?

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Phase Change Memory oder Phase Change RAM ist ein nichtflüchtiger elektronischer Speichertyp. Er nutzt den Phasenzustand eines speziellen Materials, um Informationen zu speichern. Abhängig davon, ob sich das Material in kristallinem oder amorphem Zustand befindet, ändert sich der Widerstandswert. Der Phasenzustand repräsentiert die logischen Werte 1 und 0 eines Bits. Als Speichermaterial kommen Chalkogenid-Legierungen zum Einsatz. PCM bietet hohe Lese- und Schreibgeschwindigkeit, hat eine lange Lebensdauer und lässt sich in CMOS integrieren.

Die wichtigsten IT-Fachbegriffe verständlich erklärt.
Die wichtigsten IT-Fachbegriffe verständlich erklärt.
(Bild: © aga7ta - Fotolia)

Für Phase Change Memory (PCM) sind die alternativen Bezeichnungen und Abkürzungen „Phase Change RAM“ („PCRAM“, „PRAM“), „Ovonic-Unified-Memory“ („OUM“) und „Chalcogenid-RAM“ („C-RAM“) üblich. Es handelt sich bei Phase Change Memory um einen nichtflüchtigen elektronischen Speichertyp. Er nutzt den Phasenzustand eines speziellen Materials, um Informationen zu speichern. Abhängig davon, ob sich das Material in kristallinem oder amorphem Zustand befindet, ändert sich sein Widerstand. Der Phasenzustand repräsentiert die logischen Werte 1 und 0 eines Bits.

Als Speichermaterialien kommen sogenannte Chalkogenid-Legierungen (Chalkogen-Verbindungen) zum Einsatz. Sie sind den für wiederbeschreibbare CDs und DVDs verwendeten Materialien ähnlich. PCM bietet sehr schnelle Zugriffszeiten und hat eine lange Lebensdauer. Der Speichertyp bietet sich sowohl als Alternative für flüchtigen DRAM oder SRAM als auch für nichtflüchtigen Flash-Speicher an.

Phase Change Memory lässt sich in die CMOS-Fertigung integrieren und eignet sich für eingebetteten Speicher. Zudem existieren Ansätze zur Multi-Level-Speicherung, mit denen sich mehr als nur ein Bit an Information pro Speicherzelle ablegen lassen. Ein Einsatzbereich für PCM ist zum Beispiel der Automotive-Bereich.

Prinzipielle Funktionsweise und Aufbau von PCRAM

Das Speicherprinzip von PCRAM basiert auf dem Wechsel eines speziellen Speichermaterials vom kristallinen in den amorphen Zustand. Dieser Wechsel lässt sich thermisch steuern. Auslesbar ist der Zustand des Materials über das Messen des Widerstands. Er verändert sich abhängig vom Phasenzustand.

Die Speicherzellen bestehen aus Elektroden und dem dazwischen befindlichen Phasenwechselmaterial. Für das Phasenwechselmaterial kommen Chalkogenid-Legierungen zum Einsatz, die ihren Phasenzustand bei Raumtemperatur stabil halten. Der Wechsel vom kristallinen in den amorphen Zustand und umgekehrt wird über das Anlegen eines Stromimpulses einer bestimmten Höhe und Dauer und das Erhitzen des Materials auf eine bestimmte Temperatur und für eine bestimmte Zeit gesteuert.

Der Widerstandswert zwischen kristalliner und amorpher Phase unterscheidet sich um einen Faktor zwischen 40 und 100. Aufgrund dieses hohen Unterschieds sind prinzipiell mehr als nur zwei Zustände (mehrere Bits) pro Zelle speicherbar. Beim Beschreiben von PCM muss die Speicherzelle nicht wie bei Flash-Speicher zuerst gelöscht werden.

Merkmale von Phase Change Memory

Die Merkmale von PCM sind:

  • nichtflüchtiger Speicher,
  • kleine Chipgrößen mit hoher Speicherdichte realisierbar,
  • in die CMOS-Fertigung integrierbar,
  • geeignet für eingebetteten Speicher,
  • schnelle Zugriffszeiten (hohe Lese- und Schreibgeschwindigkeit),
  • lange Lebensdauer,
  • mehrere Bit Speicherinformation pro Zelle möglich,
  • Beschreiben von Speicherzellen ohne vorheriges Löschen möglich,
  • geringer Energiebedarf.

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