Löst GST467 bald SSDs und RAM ab? (Bild: AdobeStock - Bagotaj | Flaticon)

Forscher der Stanford University haben eine neue Phase-Change-Memory-Technologie vorgestellt, die nicht nur schnell, energieeffizient und stabil ist, sondern auch bei niedrigen Temperaturen hergestellt werden kann. Dementsprechend »einfach« könnte die Produktion sein.

Diese neue Technologie hat viel Potenzial und könnte RAM und SSDs bald ablösen und somit die Trennung von kurzfristiger und langfristiger Datenspeicherung überwinden.

Das Problem von RAM und SSD

Um zu verstehen, welches Potenzial die neue Speichertechnologie hat, gehen wir kurz darauf ein, wie Speicher in PCs bisher funktioniert. Es gibt zwei Typen, zwischen denen ihr unterscheiden könnt.

Volatile Speicher (z. B., RAM): Dieser Speichertyp ist schnell und ermöglicht einen schnellen Zugriff auf Daten. Allerdings ist er flüchtig, was bedeutet, dass er alle gespeicherten Daten verliert, sobald der Computer keinen Strom mehr bekommt. Daher dient dieser Speicher hauptsächlich für kurzfristige Datenspeicherung während des laufenden Betriebs.

Nicht-volatiler Speicher (z. B., SSDs): Im Gegensatz zu volatilen Speicher bietet nicht-volatiler Speicher eine langfristige Datenspeicherung, da er Daten auch bei ausgeschaltetem Computer beibehält. Allerdings ist dieser Speichertyp im Vergleich zu volatilen Speichern langsamer im Datenzugriff.

Die SSD könnte bald Geschichte sein. (Bild: Samsung)

Wo liegt das Problem mit diesen Speicherarten? Zwei verschiedene Speicherarten in Computern zu nutzen hat einige Nachteile, die mit einem einheitlichen Speicher verschwinden oder zumindest deutlich weniger gravierend sein würden.

Datentransfer-Engpässe: Die Notwendigkeit, Daten zwischen volatilen und nicht-volatilen Speichern zu übertragen, kann zu Engpässen führen. Das ist besonders dann relevant, wenn schneller Zugriff auf große Mengen von Daten erforderlich ist.

Energieverlust: Das ständige Hin- und Herschieben von Daten zwischen kurzfristigem und langfristigem Speicher erfordert Energie, insbesondere bei den heutigen rechenintensiven Arbeitslasten.

Komplexität der Architektur: Die Notwendigkeit, unterschiedliche Speichertypen zu verwalten und zu koordinieren, erhöht die Komplexität der Systemarchitektur.

Begrenzte Flexibilität: Die starre Trennung zwischen kurzfristigem und langfristigem Speicher könnte die Flexibilität von Systemen beeinträchtigen. Ein universeller Speicher könnte vielseitiger eingesetzt werden und verschiedene Anforderungen gleichzeitig erfüllen.

Höherer Platzbedarf: Separate Speicherlösungen erfordern physisch getrennte Komponenten. Ein universeller Speicher könnte potenziell Platz sparen, insbesondere wenn er in vertikalen Schichten gestapelt wird.

Die Idee eines universellen Speichers zielt darauf ab, diese Nachteile zu überwinden, indem sie eine einheitliche Lösung bietet, die sowohl schnellen, volatilen Zugriff als auch langfristige Datenspeicherung effizient ermöglicht.

Was macht der neue Speicher anders?

Die Forscher setzen auf eine Phase-Change-Memory-Technologie, die auf dem Material GST467 basiert, einer Legierung aus Germanium, Antimon und Tellur.

Wie funktioniert das genau? Die Legierung GST467 kann schnell zwischen Aggregatzuständen wechseln, die von Computern als Einsen und Nullen interpretiert werden können.

Wenn die Legierung verfestigt wird, lässt sie Energie durch und erzeugt so eine 1. Wenn die Legierung dann verflüssigt wird, absorbiert sie Energie und das erzeugt eine 0.

Diese Technologie ermöglicht eine schnelle Umschaltung zwischen den Widerstandszuständen und wird in einem Superlattice, also einer mehrschichtigen Struktur, integriert. Diese Kombination erlaubt nicht nur eine extrem stabile Leistung, sondern auch eine niedrige Betriebsspannung von unter 1 Volt.

Hier seht ihr Querschnitte von Phasenwechsel-Speicherbausteinen im hoch- und niederohmigen Zustand. (Bild: The Pop Lab)

Der Durchmesser der unteren Elektroden im Bild beträgt ungefähr 40 Nanometer. Ein Nanometer ist der millionste Teil eines Millimeters. Sie sind also extrem winzig.

Was sind die Vorteile von der neuen Art des Speicherns?

Universelle Anwendungsmöglichkeit: Die neue Technologie könnte als universeller Speicher fungieren und die Trennung von kurzfristiger und langfristiger Datenspeicherung überwinden.
Schnelligkeit und Energieeffizienz: Mit einer Schaltzeit im Bereich von wenigen Zehnteln von Nanosekunden und einer Betriebsspannung unter einem Volt ist der neue Speicher schneller und energieeffizienter als herkömmliche SSDs.
Stabilität und Langzeit-Speicherung: Die GST467-Superlattice-Technologie zeigt sich äußerst stabil über die Zeit, ohne Drift der Datenwerte, und kann Informationen über 10 Jahre oder länger speichern.
Dichte und 3D-Layering: Trotz der geringen Größe der Speicherzellen ermöglicht die Technologie eine hohe Speicherdichte, die durch vertikales Stapeln in mehreren Schichten weiter gesteigert werden kann.

Eric Pop, Pease-Ye-Professor für Elektrotechnik und Professor für Materialwissenschaften und Technik in Standford, hat dazu folgendes gesagt:

»Wir verbessern nicht nur eine einzelne Messgröße wie Ausdauer oder Geschwindigkeit, sondern mehrere Messgrößen gleichzeitig. Dies ist das realistischste und industriefreundlichste Gerät, das wir in diesem Bereich gebaut haben. Ich würde es gerne als einen Schritt in Richtung eines universellen Speichers sehen.«