IBM erzielt Durchbruch bei Entwicklung von Phasenwechselspeicher

Forscher von IBM Research in Rüschlikon bei Zürich haben einen Durchbruch bei der Entwicklung von Phasenwechselspeicher (Phase Change Memory, PCM) erzielt. Ihnen gelang es erstmals, drei Datenbits pro PCM-Zelle zu speichern und über längere Zeit zu erhalten. Damit vereint der alternative Speicher die Geschwindigkeit und Haltbarkeit von DRAM mit der kostengünstigen Datendichte von Flash.

Erstmals gelang es Forschern von IBM, drei Datenbits pro PCM-Zelle über einen längeren Zeitraum zuverlässig zu speichern und zu erhalten (Bild: IBM).Grundsätzlich weisen die sogenannten Phasenwechselmaterialien zwei stabile Zustände auf – eine amorphe und eine kristalline Phase mit tiefer beziehungsweise hoher elektrischer Leitfähigkeit. Um ein Bit in Form einer „1“ oder einer „0“ 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 Erkennung des Widerstands beim Anlegen eines schwachen Stromflusses. Auf demselben Verfahren basieren IBM Research zufolge auch wiederbeschreibbare Blu-ray-Disks.

Das Funktionsprinzip wurde zuvor auch schon für die Speicherung von zwei Bits pro Zelle in PCM angewandt. Zum heute endenden IEEE International Memory Workshop in Paris demonstrierten die IBM-Forscher aber erstmals die Speicherung von drei Bits pro Zelle in einer Anordnung aus 64.000 Zellen sowie mit einer Ausdauerbelastung von einer Million Zyklen.

„Phase Change Memory ist 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“, erklärte Haris Pozidis, einer der Autoren und Manager der Gruppe, die bei IBM Research in Zürich an nichtflüchtigem Speicher forscht. „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.“

Der Durchbruch gelang durch die Anwendung mehrerer neuartiger Technologien. Dazu zählen verschiedene Verfahren zur Messung des Zellzustandes, die gegen den sogenannten Drift – also die schleichende Veränderung der Stabilität der elektrischen Leitfähigkeit der Zelle – immun sind. Sie erfassen eine physikalische Eigenschaft der PCM-Zelle, die keiner Veränderung im Lauf der Zeit und somit auch keiner Veränderung durch Drift unterliegt.

Um die in einer Zelle gespeicherten Daten gegenüber Schwankungen der Umgebungstemperatur robuster zu machen, kommt ein ebenfalls neuartiges Kodierungs- und Detektionsverfahren zum Einsatz. Dieses passt die Schwellwerte, die verwendet werden, um die in der Zelle gespeicherten Informationen zu erkennen, so an, dass sie den Veränderungen durch die Temperaturschwankungen folgen. Auf diese Weise soll sich der Zellzustand auch noch lange Zeit nach der Programmierung des Speichers zuverlässig auslesen lassen. „Dank dieser Fortschritte lassen sich die großen Herausforderungen der Mehrbit-PCM-Speicherung wie Drift, Variabilität, Empfindlichkeit auf Temperaturschwankungen und Belastbarkeit durch Schreibzyklen erfolgreich meistern“, kommentierte Evangelos Eleftheriou, IBM Fellow und Leiter der Abteilung Cloud & Computing Infrastructure.

Die IBM-Forscher verwendeten für ihr Experiment einen Multi-Bit-PCM-Chip, der mit einer integrierten Standardleiterplatte verbunden war. Der Chip besteht aus einer Anordnung von zwei mal zwei Millionen Zellen, die in vier Bereiche unterteilt sind und auf die nacheinander durch die Systemarchitektur zugegriffen wird. Die Speichereinheit selbst ist 2 mal 1000 mal 800 Mikrometer groß. Die PCM-Zellen basieren auf einer dotierten Chalkogenid-Legierung und wurden auf einem Prototypchip in 90-Nanometer-CMOS-Baseline-Technologie integriert, der als Charakterisierungsplattform dient.

Prinzipiell ist ein Einsatz von PCM sowohl als eigenständiger Speicher als auch in Kombination mit Flash für Anwendungen denkbar, in denen die Technologie als „extrem schneller Cache-Speicher“ dient. So soll sich künftig beispielsweise das Betriebssystem eines Mobiltelefons in PCM speichern lassen, um dieses innerhalb von Sekunden hochzufahren. Unternehmen könnten ihre Datenbanken in PCM speichern, um Abfragen für zeitkritische Online-Anwendungen wie Finanztransaktionen deutlich zu beschleunigen. Als weitere Einsatzbereiche nennen die IBM-Forscher die Verwendung von PCM in Komponenten für das Internet der Dinge respektive Industrie 4.0 sowie hochwertige Cloudspeicher für Firmen. Als nichtflüchtiger Speicher und als universelle Speichertechnologie biete PCM im Allgemeinen eine „attraktive Kombination aus Lese- und Schreibgeschwindigkeit sowie Haltbarkeit und Speicherdichte“.

[mit Material von Rainer Schneider, silicon.de]