Forschung Neuer Universalspeicher ist schnell, stromsparend, stabil und langlebig

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Stanford-Forscher haben einen neuen Phasenwechselspeicher entwickelt, der Computern helfen könnte, große Datenmengen schneller und effizienter zu verarbeiten.

Unsere Computer müssen immer größere Datenmengen verarbeiten, um zum Beispiel die Entdeckung von Medikamenten zu beschleunigen, Wetter- und Klimavorhersagen zu verbessern, künstliche Intelligenz zu trainieren und vieles mehr. Um mit diesem Bedarf Schritt halten zu können, benötigen wir mehr denn je schnellere und energieeffizientere Computerspeicher.

Stanford-Forscher haben gezeigt, dass ein neues Material den Phasenwechselspeicher - der auf dem Wechsel zwischen hoch- und niederohmigen Zuständen beruht, um die Einsen und Nullen von Computerdaten zu erzeugen - zu einer verbesserten Option für künftige KI- und datenzentrische Systeme machen könnte. Ihre skalierbare Technologie, die kürzlich in 'Nature Communications' beschrieben wurde, ist schnell, stromsparend, stabil, langlebig und kann bei Temperaturen hergestellt werden, die mit der kommerziellen Fertigung kompatibel sind.

Wir verbessern nicht nur eine einzelne Messgröße wie Ausdauer oder Geschwindigkeit, sondern mehrere Parameter gleichzeitig“, so Professor Eric Pop von der Stanford University. „Dies ist das realistischste und industriefreundlichste Ding, das wir in diesem Bereich gebaut haben. Ich würde es gerne als einen Schritt in Richtung eines universellen Speichers betrachten.“

Ein schnellerer NV-Speicher

Heutige Computer speichern und verarbeiten Daten an unterschiedlichen Orten. Der flüchtige Speicher - der schnell aber flüchtig ist, wenn der Computer ausgeschaltet wird - ist für die Verarbeitung zuständig, während der nichtflüchtige Speicher - der nicht so schnell ist, aber Informationen ohne ständige Stromzufuhr speichern kann - für die langfristige Datenspeicherung zuständig ist. Das Verschieben von Informationen zwischen diesen beiden Speicherorten kann zu Engpässen führen, während der Prozessor darauf wartet, dass große Datenmengen abgerufen werden.

„Das Hin- und Herschieben von Daten ist sehr energieaufwändig, vor allem bei den heutigen Arbeitslasten“, sagte Xiangjin Wu, Mitautor der Studie und Doktorand, der von Professor Pop und Professor Philip Wong an der School of Engineering, betreut wird. „Mit dieser Art von Speicher hoffen wir wirklich, den Speicher und die Verarbeitung näher zusammenzubringen, letztlich in einem System, sodass es weniger Energie und Zeit verbraucht.“

Es gibt viele technische Hürden auf dem Weg zu einem effektiven, kommerziell nutzbaren Universalspeicher, der sowohl eine Langzeitspeicherung als auch eine schnelle, stromsparende Verarbeitung ermöglicht, ohne dass andere Systemparameter darunter leiden.

Aber der neue Phasenwechselspeicher, der in Pops Labor entwickelt wurde, ist dem bisher am nächsten gekommen. Die Forscher hoffen, dass er die weitere Entwicklung und Einführung als universeller Speicher inspirieren wird.

Der Speicher basiert auf GST467, einer Legierung aus vier Teilen Germanium, sechs Teilen Antimon und sieben Teilen Tellur, die von Mitarbeitern der University of Maryland entwickelt wurde. Pop und seine Kollegen haben Wege gefunden, die Legierung zwischen mehreren anderen nanometerdünnen Materialien in einem Übergitter anzuordnen, einer Schichtstruktur, mit der sie schon früher gute Ergebnisse bei nichtflüchtigen Speichern erzielt haben.

„Die einzigartige Zusammensetzung von GST467 verleiht dem Speicher eine besonders hohe Schaltgeschwindigkeit“, sagte Asir Intisar Khan, der in Pops Labor promoviert hat und Mitautor der Arbeit ist. „Die Integration in die Übergitterstruktur in Nano-Bauelementen ermöglicht eine niedrige Schaltenergie, eine gute Ausdauer, eine sehr gute Stabilität und macht es nichtflüchtig - es kann seinen Zustand für 10 Jahre oder länger beibehalten.“

Eine neue Messlatte setzen

Das GST467-Superlattice setzt mehrere wichtige Maßstäbe. Phasenwechselspeicher können manchmal im Laufe der Zeit driften - im Wesentlichen kann sich der Wert der Einsen und Nullen langsam verschieben - aber ihre Tests zeigten, dass dieser Speicher extrem stabil ist. Außerdem funktioniert der Speicher mit weniger als 1 V Versorgungsspannung, was ja das Ziel einer stromsparenden Technologie ist, und ist deutlich schneller als ein typisches Solid-State-Laufwerk.

„Einige andere NV-Speicher können etwas schneller sein, aber sie arbeiten mit einer höheren Spannung oder einem höheren Stromverbrauch“, so Pop. „Bei all diesen Rechentechnologien gibt es Kompromisse zwischen Geschwindigkeit und Energie. Die Tatsache, dass wir mit einigen zehn Nanosekunden schalten und dabei mit weniger als einem Volt arbeiten, ist eine große Leistung.“

Das Superlattice bringt auch eine große Anzahl von Speicherzellen auf kleinem Raum unter. Die Forscher haben die Speicherzellen auf einen Durchmesser von 40 nm reduziert - weniger als die Hälfte der Größe eines Coronavirus. Das ist nicht ganz so komplex, wie es sein könnte, aber die Forscher suchen nach Möglichkeiten, dies zu kompensieren, indem sie den Speicher vertikal stapeln, was dank der niedrigen Herstellungstemperatur des Übergitters und der verwendeten Produktionstechniken möglich ist.

„Die Herstellungstemperatur liegt weit unter dem, was man braucht“, so Pop. „Man spricht davon, Speicher in Tausenden von Schichten zu stapeln, um die Dichte zu erhöhen. Diese Art von Speicher kann in Zukunft solche 3D-Schichten ermöglichen“. (mbf)

* Henning Wriedt ist freier Fachautor.

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