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28.07.2014
Folge 431

Forschungserfolg bei Phase Change Memory

Phase-Change Memory (PCM) ist eine der vielversprechendsten Kandidaten für die nächste Generation nichtflüchtiger Speicher. Die PCM-Speichertechnologie ist 100-fach schneller und deutlich langlebiger als Flash-Speicher. Ein Forschungserfolg in dieser Technologie bahnt den Weg zu neuen schnellen und nicht flüchtigen Speichern.


Der Prototyp eines Multi-Cell Phase-Change Memory Chip. (Foto: IBM Research,Michael Lowry)

Forscher bei IBM Research– Zürich haben erstmals gezeigt, dass Phase-Change-Memory genannte Speicher (kurz: PCM, deutsch: Phasenwechsel-Speicher) nicht nur einzelne Bits, sondern gleich mehrere Bits pro Speicherzelle sehr zuverlässig über lange Zeiträume speichern können. Der Forschungserfolg ist ein 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 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.

Phase-Change-Materialien sind seit Jahren Basis bei wiederbeschreibbaren optischen Discs (CD/DVD-RW, Blu-ray). Beim Schreiben erhitzt ein Laserstrahl das Material und je nach Temperaturverlauf nimmt es entweder einen kristallinen oder einen amorphen Zustand an. Beim Lesen per Laser kann man diese beiden Zustände wegen ihrer unterschiedlichen Reflektivität unterscheiden. Bei dem IBM-Projekt werden die Speicherzellen rein elektrisch beschrieben und gelesen. Die Erwärmung des Phase-Change-Materials erfolgt durch einen kurzen Stromimpuls: Der Wechsel in den amorphen Zustand dauert etwa 50 Nanosekunden, der in den kristallinen Zustand 100 ns.


Eine Elektronenmikroskop-Aufnahme einer pilzartigen PCM Zelle. Die Zelle besteht aus einer Schicht von Phase-Change Material, z. B. Germanium-Antimon-Tellurid (GST), zwischen zwei Elektroden. (Quelle: IBM Research – Zürich)

Phase-Change-Memory stellt eine der vielversprechendsten neuartigen Speichertechnologien dar, die einen weiteren Leistungssprung bei Speicher- und IT-Systemen eröffnen könnte. Die PCM-Speichertechnologie ermöglicht die nichtflüchtige Datenspeicherung bei hohen Speicherdichten und ist gleichzeitig 100-fach schneller und 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 sogenannten Enterprise-Flash-Speichern, die etwa 30 000 Schreibzyklen erreichen, erzielt ein PCM-Speicher eine viel bessere Haltbarkeit von 10 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. 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. Mit ihrer Drift-resistenten Technik erzielen die Forscher beim Auslesen erstmals die extrem geringe Fehlerraten, wie sie für Unternehmensanwendungen gefordert werden. Darüber hinaus haben sie einen 100-fach schnelleren Schreibprozess als bei Flash-Speichern zeigen können.

Siehe auch:
http://www.research.ibm.com/labs/zurich/sto/pcm/
http://en.wikipedia.org/wiki/Phase-change_memory
http://de.wikipedia.org/wiki/Phase-change_random_access_memory
http://tss-schmitz.de/cms1/index.php/cc2-nachrichtenleser/cc2-audio-431-forschungserfolg-bei-phase-change-memory.html



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