Erheblich schneller und langlebiger als Flash sollen die kommenden Phase-Change-Halbleiterspeicher werden. Forscher bei IBM Research-Zürich haben jetzt einen Forschungserfolg erzielt: nicht nur einzelne Bits, sondern gleich mehrere Bits pro Speicherzelle abzuspeichern. Und die Speicherinhalte blieben über einen längeren Zeitraum gleich.

Man möchte es nicht glauben, dass es angesichts der derzeitigen Marktpopularität von Flash bereits deutlich über 20 Jahre her ist, dass der Flash-Speicher erfunden wurde. In Form von Solid-State-Disks (SSD) und USB-Sticks erlebt die Speichertechnologie gerade einen atemberaubenden Höhenflug.

Doch nun formt sich mit der so genannten PCM-Speichertechnologie (Phase Change Memory; deutsch: Phasenwechsel-Speicher) langsam die erste ernstzunehmende Alternative. Forscher bei IBM Research-Zürich haben erstmals gezeigt, dass PCM-Speicher nicht nur einzelne Bits, sondern gleich mehrere Bits pro Speicherzelle sehr zuverlässig über lange Zeiträume speichern können.

Von Smartphones bis Cloud-Storage einsetzbar

Der Forschungserfolg gilt als ein bedeutender Schritt hin zur Entwicklung von kosteneffizienten, schnellen und langlebigen Memory-Anwendungen für elektronische Geräte wie zum Beispiel Smartphones, aber auch für Hochleistungs-IT-Systeme für Unternehmen sowie für Cloud-Speicherlösungen. PCM ist eine neuartige nichtflüchtige Speichertechnologie, die aufgrund der erzielbaren Schreib- und Lesegeschwindigkeit in Kombination mit sehr guter Langlebigkeit und hoher Speicherdichte nach Meinung von IBM das Potenzial aufweist, innerhalb der nächsten fünf Jahre die Speicherlandschaft zu verändern.

Das rasante Wachstum der digitalen Daten, die steigende Vernetzung und Kommunikation zwischen Geräten und IT-Systemen, der Übergang zu Cloud-Computing-Modellen und die Zunahme von Hochleistungsanalytik im Rahmen des Informationsmanagements – alle diese Entwicklungen erfordern immer leistungsfähigere, effizientere und dennoch erschwingliche Speichertechnologien.

Rund 100-mal schneller als Flash

PCM stellt eine der vielversprechendsten neuartigen Speichertechnologien dar, denn sie ermöglicht die nichtflüchtige Datenspeicherung bei hohen Speicherdichten und ist gleichzeitig 100-fach schneller und signifikant langlebiger als die bekannte Flash-Speichertechnologie. Mit PCM-Speichern könnten Computer und Server in Sekundenschnelle hochfahren und die Gesamtleistungsfähigkeit von IT-Systemen erheblich gesteigert werden. Im Gegensatz zu den besten so genannten Enterprise-Flash-Speichern, die etwa 30.000 Schreibzyklen erreichen, erzielt ein PCM-Speicher eine viel bessere Haltbarkeit von zehn Millionen Schreibzyklen, was im Gegensatz zu Flash-Speichern selbst anspruchsvollen Unternehmensanwendungen genügt.

Erstmals haben IBM-Forscher nun zeigen können, dass PCM-Speicher tatsächlich zuverlässig und über lange Zeit mehrere Bits pro Zelle speichern und auslesen können. Die Möglichkeit, mehrere Bits pro Zelle zu speichern, stellt dabei einen der wichtigsten Schritte auf dem Weg zu kostengünstigen PCM-Speichern dar. Um die demonstrierte Zuverlässigkeit zu erreichen, waren entscheidende technische Fortschritte im Schreib- und Leseprozess notwendig.

Neue Technologien kontra dem Drift

Konkret haben die IBM Forscher iterative Schreibverfahren zur Kompensation der Variabilität der einzelnen Speicherzellen sowie ausgeklügelte Modulationscodierungs-Techniken entwickelt, die resistent gegenüber dem so genannten Widerstands-Drift in PCM-Speichern sind und somit ein korrektes Lesen der Bits trotz Drift ermöglichen.

Drift ist ein Phänomen, bei dem die zeitliche Veränderung der Eigenschaften des PCM-Materials eine Verschiebung der elektrischen Widerstandswerte der Phasenzustände zur Folge hat, in welchen die Bitinformationen gespeichert sind. Es stellt bis heute eine der Hauptschwierigkeiten bei der Umsetzung von Multi-Bit-PCM-Technologien dar.

Extrem geringe Fehlerraten

Mit ihrer Drift-resistenten Technik erzielen die Forscher beim Auslesen erstmals die extrem geringen Fehlerraten, wie sie für Unternehmensanwendungen gefordert werden. Darüber hinaus haben sie einen 100-fach schnelleren Schreibprozess als bei Flash-Speichern zeigen können.

IBM arbeitet freilich nicht allein an PCM, auch führende Chiphersteller wie Hynix, Micron und Samsung sind mit von der Partie. Selbst Intel, das den Bau von Speichern eigentlich längst aufgegeben hatte, erforscht die Technologie. Ihre Ursprungsidee reicht bis ins Jahr 1970 zurück: Damals hatte Intel-Mitgründer Gordon Moore das Prinzip der Phasenänderung erstmals beschrieben.

IBM schätzt, dass der PCM-Speicher 2016 erstmals kommerziell verfügbar und einsetzbar ist. Der Prototyp des MLC-PCM mit 2 Bit pro Zelle wurde mit 90 Nanometern Strukturbreite gefertigt. Das erste Muster von IBM erreicht dabei aber nur eine Kapazität von 2 Megabit – nun gut, ähnlich unspektakulär waren die ersten Flash-Bausteine. Heutige Flash-Chips werden mit Kapazitäten von bis zu 64 Gigabit pro Chip in Massenstückzahlen gefertigt.

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