Phasenwechselspeicher schneller und langlebiger als Flash-Speicher

By Christiane Manow-Le Ruyet

Smartphone-User kennen das: Gerade wenn ein neues Update ansteht, meckert das Gerät, es stehe nicht genug Speicherplatz dafür zur Verfügung. Das heißt, erstmal das Handy entrümpeln, bevor die Betriebssoftware aktualisiert werden kann. Denn ist der Flashspeicher voll, geht nicht viel. Und nicht jeder spendiert seinem Handy eine große Speicherkapazität. Forscher sind nun einem neuartigen Phasenwechselmaterial auf der Spur, das bis zu tausend Mal schneller und erheblich langlebiger sein könnte, als bisherige Flash-Speicherchips.

Technologie mit Zukunft

Phasenwechselspeicher sichern Daten indem sie den Aggregatszustand der Bits ändern. Das heißt, sie wechseln zwischen flüssig, glasartig und kristallin. Der Wechsel zwischen den einzelnen Phasen geschieht entweder über ein elektromagnetisches Feld, Wärme- oder Lichtimpulse. Laut deutschen und amerikanischen Forschern sowie den Wissenschaftlern der Forschungs-Neutroenquelle der TUM hätte diese Technolgie das Potenzial kostengünstige, schnelle und hochdichte Speicher herzustellen.

Konzerne an Entwicklung interessiert

Unternehmen wie Intel, IBM und Samsung arbeiten schon seit Langem daran, das Prinzip von Phasenwechselspeichern produkttauglich zu machen. Allerdings war bisher noch unklar, wie das Material in so kurzer Zeit zwischen den verschiedenen Aggregatszuständen wechseln kann. Aber auch, wie dies mit der nötigen Präzision ausgeführt werden kann.

Phasenwechselspeicher

Ein Team aus Wissenschaftlern der Arizona State University, der RWTH Aachen, der Universität des Saarlandes und der TU München haben nun eine bedeutende Entdeckung gemacht. Sie fanden heraus, warum eine Legierung aus Germanium, Antimon und Tellur tausend Mal schneller arbeiten kann, als aktuelle Flash-Speicher. Eine weitere Erkenntnis: Offensichtlich lassen sich Phasenwechselspeicher auch viel häufiger auslesen. Sie wären also langlebiger. Durch diese spezielle Mischung lässt sich zudem die Phasenänderung schärfer abgrenzen und reproduzierbarer steuern, als andere untersuchte Materialien.

Unterstützung aus Garching

Um der Legierung auf die Spur zu kommen, untersuchten die Wissenschaftler um Dr. Shuai Wei (RWTH) und Dr. Zach Evenson (TUM) ihren glasartig-flüssigen Zustand. Dazu verwendeten sie die Neutronenstreuung am Heinz-Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ) in Garching. „Die hohe Auflösung und der hohe Fluss des Flugzeitspektrometers TOFTOF an der Neutronenquelle FRM II war notwendig, um die Bewegung der Teilchen sehen zu können“, erklärt Dr. Zachary Evenson, der zu dieser Zeit Instrumentwissenschaftler an der TUM war.

Wärmeimpuls

Dabei kam heraus, dass die Flüssigkeit oberhalb des Phasenübergangs eine hohe Viskosität aufweist. Dadurch ist die Kristallisation sehr schnell. Unterhalb des Phasenübergangs erstarrt die Flüssigkeit rasch. Sie ist somit schlecht leitend, im amorphen Zustand. In „nanoskopischen Bits“ bleibt dieser Zustand erhalten. Aber mit einem gezielten, kurzen Wärmeimpuls geht das Bit innerhalb von Nanosekungen in dem leitenden Zustand über. Das entspricht der Stellung „1“ bei einem Bit. Um auf Position „0“ zu wechseln, ist ein längerer Impuls nötig. Beispielsweise von einem Infrarotlaser gefolgt von einer schnellen Abkühlung.

Einstein widerlegt

Bei ihren Forschungen konnten die Wissenschaftler sogar nachweisen, dass eine Gleichung, die Albert Einstein in seiner Doktorarbeit aufgestellt hatte, nicht gilt. Sie beschreibt, dass die Bewegung von Teilchen einer Kugel entsprechen würde, die in einem Honigglas versinkt. Auf das von den Forschern verwendete Material trifft dies jedoch oberhalb des Schmelzpunktes nicht mehr zu. Bislang wird diese Gleichung auch für Phasenwechselspeicher angenommen. “Unsere Ergebnisse beweisen, dass diese Gleichung bei Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes nicht mehr gilt“, sagen die Physiker in ihrer Studie.

Unterschied zu Flash

Flash-Speicher dagegen verfügen nicht über bewegliche Teile. Die Informationen werden in Zellen gespeichert. Flash-Speicher werden in verschiedene Typen wie SLC, MLC und TLC unterschieden. SLC steht dabei für Single-Level Cell. Das bedeutet, dass jede Zelle nur einen Wert, der in zwei Modi existieren kann (0/1 oder an/aus) speichern kann. Die Modi hängen von der elektrischen Spannung ab. MLC, Multi-Level-Cell, kann bis zu vier Zustände von zwei Daten-Bits speichern. (00, 01, 10, 11). Und Triple-Level-Cell kann drei Bits pro Zelle aufnehmen. Dabei werden acht Zustände genutzt – von 000 bis 111.
Jetzt bleibt abzuwarten, wann Phasenwechselspeicher die Marktreife erreichen.