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Eine neue Speichertechnologie könnte in einigen Jahren zu kleinen USB-Sticks und Speicherkarten für digitale Kameras, Handys und MP3-Spieler führen, die Informationen im Terabyte-Bereich aufnehmen können – mehr als die meisten heutigen Festplatten. Die ersten Muster dieser Komponenten, die gleichzeitig den Energieverbrauch wesentlich senken sollen, werden innerhalb von 18 Monaten auf dem Markt erwartet.
"Das ist eine radikal neue Technologie", sagt Michael Kozicki, Professor für Elektrotechnik an der Arizona State University, der neben anderen Forschergruppen federführend an einer Variante des neuen Speichertyps arbeitet. "Sollte das alles wirklich so gut funktionieren, wie alle sich das derzeit denken, könnte es die Speicherindustrie revolutionieren."
Der neue Ansatz nennt sich "Programmable Metallization Cell", kurz PMC, oder auch nano-ionischer Speicher. Neben der Arizona State University arbeiten auch Firmen wie Sony und IBM an der Technologie. Es ist einer von mehreren experimentellen Ansätzen, die eines Tages Festplatten ersetzen sollen- aber auch die nicht flüchtigen Flash-Speicher in tragbarer Elektronik und die DRAM-Hauptspeicherchips in PCs. Die ersten Prototypen waren allerdings viel zu langsam, um sie praktisch einsetzen zu können. In jüngster Zeit demonstrierten Forscher allerdings, dass Materialien mit einer Struktur im Nanobereich wesentlich Beschleunigungen liefern könnten. PMC-Speicher wäre damit deutlich schneller als Flash. Einige experimentelle Zellen erreichten gar DRAM-Geschwindigkeit, was nochmals eine Zehnerpotenz schneller ist.
Die neue Speichertechnologie soll außerdem leicht herstellbar sein. Das Arizona-Forscherteam zeigte, dass sich – zumindest theoretisch – auch konventionelle Materialien verwenden lassen, die bereits in aktuellen Speicherchips und Hauptprozessoren verwendet werden. So ließe sich eine einfachere Integration mit bestehenden Produktlinien erreichen – auch in der Fabrik, was die Chip- und Speicherhersteller sehr interessieren dürfte.
Ein anderer Grund für die Attraktivität des PMC-Speichers ist die extrem geringe Spannung, die im Betrieb aufgewendet werden muss. Die Technologie könnte mit einem Tausendstel der Energie von Flash auskommen. Theoretisch ließen sich außerdem wesentlich höhere Speicherdichten erzielten als bei allen aktuellen Technologien.
Das alles wird durch den verwendeten neuen Mechanismus möglich, über den die Informationen abgelegt werden. Flash speichert Bits als elektrische Ladungen, doch je kleiner die Speicherzellen sind, desto weniger Ladung können sie beibehalten, was sie unzuverlässiger macht. Die neue PMC-Speichertechnik setzt hingegen auf die Umordnung von Atomen, um stabile, potenziell extrem kleine Speicherzellen zu formen. Möglich wäre auch, dass jede Zelle mehrere Bits speichern kann und die Zellen übereinander geschichtet werden. Das würde die Speicherdichte in Bereiche erhöhen, die mit der Technologie konkurriert, die heute die meisten Bits pro Quadratzoll speichert: Festplatten.
Jede PMC-Speicherzelle besteht aus einem festen Elektrolyten, der zwischen zwei Metall-Elektroden eingezwängt ist. Der Elektrolyt ist ein glasartiges Material, das Metallionen enthält. Normalerweise widersteht der Elektrolyt dem Elektronenfluss. Legt man aber eine Spannung an die Elektroden, binden sich Elektronen an die Metallionen und bilden Metallatome, die sich zu Clustern zusammenlagern. Diese Atome bilden einen Faden in Virengröße, der die Elektroden überbrückt und einen Weg bildet, über den der elektrische Strom fließen kann. Wird die Spannung umgekehrt, löst sich der Faden "auf", erläutert Kozicki. Die beiden Stadien – der hohe Widerstandswert des Elektolyts und jener ohne Widerstand – können Nullen und Einsen repräsentieren. Weil der Metalldraht so lange verfügbar bleibt, so lange er nicht per Spannungsumkehr "gelöscht" wird, ist der Speicher nicht flüchtig, er benötigt also keine Energie, um die Informationen zu speichern, allein beim Schreiben und Lesen ist das notwendig.
Ein zukünftiger USB-Stick, der ein Terabyte an Informationen speichern kann, müsste allerdings auch zwei andere Eigenschaften des PMC-Speichers nutzen: Erstens müsste mehr als ein Bit pro Speicherzelle untergebracht werden. Ist der Draht in der Speicherzelle einmal gebildet, ist es möglich, erneut eine Spannung anzulegen, die weitere Atome zur Bildung anregt. Dadurch wird der Draht dicker und der Widerstand sinkt weiter. Zusätzliche Energiestöße verbreitern ihn weiter, so dass sich verschiedene Widerstandszustände zum Speichern mehrerer Bits pro Draht nutzen ließen.
Der Speicher lässt sich außerdem in Schichten anordnen, weil es nicht notwendig ist, das jede Zelle in direktem Kontakt mit der Silizium-Basisschicht steht, wie dies bei anderen Speicherarten der Fall ist. Die Kombination mehrerer Bits pro Zelle mit mehreren Schichten könnte so zu einer außerordentlich hohen Speicherdichte führen, sagt Kozicki.
William Gallagher, der bei IBM Research im Bereich experimenteller nicht flüchtiger Speicher arbeitet, sieht im PMC-Speicher einen von mehreren interessanten Ansätzen für eine Technologie der nächsten Generation. Dazu gehören auch der MRAM, der Informationen mit Hilfe magnetischer Felder ablegt sowie so genannter Phase-Change-Speicher, der ähnlich wie bestimmte optische Datenträger arbeitet. Die Konkurrenz liegt laut Gallagher derzeit allerdings vorn: MRAM-Chips würden bereits für Spezialanwendungen verkauft, etwa in Geräten, die unter schwierigen Umweltbedingungen arbeiten müssten. Doch MRAM könnte sich eher als Ersatz für besonders schnellen Speicher erweisen, nicht so sehr für Flash. Samsung will allerdings einen Phase-Change-basierten Flash-Ersatz innerhalb eines Jahres anbieten.
Dennoch liegt die PMC-Technik nicht schlecht im Rennen. Einige Firmen haben die Technologie von der Arizona State University bereits lizenziert, darunter die deutsche Qimonda. Micron Technologies aus den USA und ein bislang geheimes Start-up aus der Gegend um San Francisco sind ebenfalls dabei. Letzteres Unternehmen soll bereits daran arbeiten, erste Speichergeräte zu produzieren, die in den nächsten 18 Monaten erhältlich sein könnten. Diese ersten Chips werden laut Kozicki aber noch keine Speicherdichte wie bei Festplatten haben.
Gleichzeitig wird aber auch die aktuelle Flash-Technik immer besser – und dürfte dies über weitere Generationen hinweg zunächst bleiben. Noch basieren die besten PMC-Speicher-Prototypen zudem auf Materialien, die nicht in konventionellen Mikrochips eingesetzt werden, was die Produktion verteuern könnte. Kozickis Gruppe demonstrierte allerdings kürzlich einen PMC-Speicher, der aus einer Kombination aus Siliziumdioxid und Kupfer besteht – Materialien, die mit konventionellen Herstellungsprozessen kompatibel sind. Doch diese Materialien sind nicht ganz so leistungsfähig und machen die Technologie dadurch unattraktiver gegenüber Alternativen wie Phase-Change-Speicher. Um PMC nach vorne zu bringen, müssten die Hersteller zunächst überzeugt werden, sich auf neue Materialien einzulassen, meinen denn auch Experten.
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