Flash-Killer: IBM entwickelt Phase Change Memory

[Lemmi]

In den Almaden-Forschungslabors von IBM wurde in Kooperation mit Macronix und Qimoda eine neue Speichertechnik entwickelt, die Flash-Memory in einigen Jahren ablösen soll. Die „Phase Change Memory“-Technologie (PCM) soll bei kleineren Baugrößen deutlich höhere Geschwindigkeit ermöglichen. PCM schließt technologisch dort an, wo NAND-Flash an die Grenzen der Machbarkeit stößt. "Nach Ansicht vieler Experten stehen der Flash-Technologie wegen ihrer beschränkten Skalierbarkeit in naher Zukunft bereits große Probleme bevor. Gemeinsam ist es uns jetzt gelungen, ein neues Material für Phase-Change-Speicher zu entwickeln, das auch bei extremer Miniaturisierung hohe Leistung bietet", sagt Rolf Allenspach, Leiter der Gruppe Nanophysik am IBM-Forschungslabor Zürich.

NAND-Flash ist derzeit zwar weiterhin im Kommen, jedoch ist die Technologie noch teuer, die Kapazitäten für einen alleinigen Einsatz in Computern zu gering und sie machen bereits nach 100.000 Lese- und Schreibzyklen schlapp. Diese relativ schnelle Materialermüdung ist zwar bei Comsumer-Anwendungen unproblematisch, sie disqualifiziert die Module jedoch für den Einsatz als Haupt- sowie Pufferspeicher in Network- oder Storagesystemen. Auf den Markt drängen zudem vermehrt Hybrid-Lösungen, die eine herkömmliche Harddisk mit Flash-Modulen kombinieren, um einen schnelleren Datenzugriff zu ermöglichen.

Zusammen mit hoher Leistung und Zuverlässigkeit könnte PCM daher zur Basistechnologie für Universalspeicher in mobilen Applikationen werden, meinen die Entwickler. Phasenwechelspeicher sind wie Flash nicht flüchtig, das bedeutet, sie merken sich die Informationen auch dann, wenn kein Strom zugeführt wird. Darüber hinaus weist der PCM-Prototyp laut IBM sehr vorteilhafte technische Werte auf: Er ist 500 Mal schneller beschreibbar und benötigt dabei nur die Hälfte an Energie. Zudem seien deutlich mehr Lese- und Schreibzyklen möglich und die Bauelemente sind mit einem Querschnitt von drei mal 20 Nanometer erheblich kleiner, als die kleinsten heute herstellbaren Flash-Speicher. Sobald die Skalierbarkeit von Flash endgültig an ihre Grenzen stößt, wird sich eine neue Technik wie PCM durchsetzten“, ist Allenspach überzeugt. Dies könnte schon in wenigen Jahren möglich werden. Bis zum nun vorliegenden Prototypen vergingen 30 Monate Forschung.

Die Flash-Memory-Technik dürfte ein künftiges Opfer der Miniaturisierung werden. Neue Produktionsprozesse machen in Chips zwar immer kleinere Leiterbahnen möglich, beim Flash-Speicher ist nach aktuellen Forschungen jedoch bei 45 Nanometer Schluss. Darunter verhindern Streuverluste, dass sich ohne Stromzufuhr noch Daten speichern lassen. Die PCM-Module hingegen soll Produktionsprozesse bis 20 Nanometer und sogar darunter ermöglichen. Die Entwickler verwenden für ihre Speicher als neues Material eine Germanium-Legierung, für die sie bereits ein Patent beantragt haben.

Im Inneren eines PCM befindet sich eine winzige Menge der Halbleiterlegierung, die schnell zwischen einer geordneten kristallinen Phase mit einem niedrigeren elektrischen Widerstand und einer ungeordneten amorphen Phase mit einem viel höheren elektrischen Widerstand wechseln kann. Der Phasenzustand des Materials wird durch die Amplitude und Dauer des elektrischen Stromstoßes bestimmt, der für die Erwärmung des Materials genutzt wird. Wenn die Temperatur der Legierung knapp über den Schmelzpunkt erhöht wird, verteilen sich die durch Energiezufuhr angeregten Atome in einer zufälligen Anordnung. Wird die Stromzufuhr dann abrupt unterbrochen, erstarren die Atome in dieser willkürlich angeordneten, amorphen Phase. Wird die Stromzufuhr über einen längeren Zeitraum – etwa zehn Nanosekunden – reduziert, bleibt den Atomen genug Zeit, um in die bevorzugte, gut geordnete Struktur der kristallinen Phase zurückzukehren. ( pte)