IBM macht Phase Change Memory marktreif

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IBM-Forschern in Zürich ist ein Durchbruch in der Chiptechnologie für Phasenwechselspeicher (Phase-change Memory, PCM) gelungen. Der Speicher kann nicht nur einzelne Bits, sondern gleich mehrere Bits pro Speicherzelle sehr zuverlässig über lange Zeiträume speichern. PCM-Chips könnten durch ihre überlegenen Eigenschaften Flash-Memory-Chips ablösen. IBM arbeitet daran, sie für Enterprise-Speicherlösungen so fit zu machen, dass sie sich im Cloud Storage einsetzen lassen.

Beispiel für einen Phase-change-Memory-Chip mit 200.000 Zellen, der in der 90-Nanometer CMOS Technologie hergestellt wurde. Quelle: IBM Research
Beispiel für einen Phase-change-Memory-Chip mit 200.000 Zellen, der in der 90-Nanometer CMOS Technologie hergestellt wurde. Quelle: IBM Research

Die Technik des Phase-change memory (PCM) ist bereits seit 40 Jahren bekannt und wird u.a. in der Blue-Ray-Lasertechnik eingesetzt. Dabei wechselt einfach ein Material, dessen Speicherzellen man erhitzt, den Zustand von kristallin, das einen geringen elektrischen Widerstand (= 1) aufweist, zu amorph, das einen hohen Widerstand aufweist (= 0). Dieser Unterschied lässt sich als Information speichern.

Bislang war dies nur 1 Bit pro Zelle, und der Widerstand war instabil. Die Schweizer IBM-Forscher konnten 2 Bits pro Speicherzelle zuverlässig über längere Zeiträume speichern, indem sie ausgeklügelte Modulationscodierungs-Techniken entwickelten, die resistent gegenüber dem so genannten Widerstands-Drift in PCM-Speichern sind und somit ein korrektes Lesen der Bits trotz Drift ermöglichen. Damit wird PCM marktreif.

Was Speicherbausteine anbelangt, tritt PCM in Wettbewerb mit DRAM, wie er neben einer CPU zu finden ist, und Flash Memory (NAND und NOR). NAND1-Speicher ist zwar für den genannten Massenmarkt tauglich, jedoch langsam und reicht nur für 3000 Schreibzyklen. NAND2 wird in der Industrie eingesetzt, ist schneller und hält durchschnittlich 30.000 Schreibzyklen lang.

Mit ihrer Drift-resistenten Technik haben Pozidis & Co. beim Auslesen von Daten erstmals extrem geringe Fehlerraten, wie sie für Unternehmensanwendungen gefordert werden, erzielen können. Ihre PCM-Chips weisen einen 100-fach schnelleren Schreibprozess als bei Flash-Speichern auf und halten 10 Millionen Schreibzyklen lang.

Lückenfüller

Tabellarische Übersicht über die Qualitäten von DRAM, Flash memory, PCM und Multilevel-PCM-Speicher. PCM ist sowohl DRAM als auch Flash in einigen Bereichen überlegen. Quelle: IBM Research
Tabellarische Übersicht über die Qualitäten von DRAM, Flash Memory, PCM und Multilevel-PCM-Speicher. PCM ist sowohl DRAM als auch Flash in einigen Bereichen überlegen. Quelle: IBM Research

“Zwischen DRAM und NAND-Flash gibt es eine Lücke, was Kapazität und Leistung angeht”, erläutert Dr. Haris Pozidis von IBM-Forschungslabor Rüschlikon ((Bild 3)). “PCM-Speicherbausteine können diese Lücke füllen.” Wie eine Tabelle zeigt ((Bild 2)), sind PCM und Multilevel-PCM sowohl DRAM als auch Flash Memory in mancherlei Hinsicht überlegen. DRAM verliert beispielsweise seine Informationen, wenn der Strom abgeschaltet wird, PCM jedoch ebensowenig wie Flash.

Zunächst werden PCM-Chips wohl im Consumer-Bereich auf den Markt kommen, und zwar durch Firmen wie Hynix, Micron oder Samsung. Doch schon 2016 soll PCM reif für den Einsatz in Enterprise-Bereichen sein.

Einsatzbereiche

Dr. Haris Pozidis, Manager of Memory and Probe Technologies beim IBM Research Lab in Rüschlikon. Quelle: IBM Research
Dr. Haris Pozidis, Manager of Memory and Probe Technologies beim IBM Research Lab in Rüschlikon. Quelle: IBM Research

Eine Palette von Einsatzbereichen stellt sich Pozidis vor. Mit PCM-Speichern könnten Speichergeräte und Server in Sekundenschnelle hochfahren und so die Gesamtleistungsfähigkeit von IT-Systemen erheblich steigern. Das ist etwa im Bereich des Cloud Computing wichtig, wo gerade Storage eine zentrale Rolle spielt. Die Lesegeschwindigkeit für viele Online- und On-demand-Anwendungen, die auf Storage zugreifen, ließe sich damit ebenso erhöhen wie im eigenen Unternehmen (Enterprise Data Storage).

Eine In-memory-Datenbankanwendung wie etwa QlikTech, Oracle Exadata oder SAP HANA, wäre ein weiterer Einsatzbereich, insbesondere dann, wenn man schnellen DRAM mit PCM kombiniert, um den Zugriff auf die CPU zu beschleunigen. So würden sich Analyse-Anwendungen auf Trab bringen lassen.

Ein dritter Bereich sind laut Pozidis alle Geräte, in denen Speicher eingebettet ist (Embedded Systeme), so etwa im Computer eines Automobils, Zugs oder Fluggeräts, in Tablet-PCs und natürlich in Smartphones. Hier wird die Langlebigkeit des Speichers verlangt. Last but not least könne PCM alle Flash-Speicherbausteine, die NOR- und NAND-Flash nutzen, ersetzen. Dadurch würde man wesentlich langlebigere Massengeräte erhalten, die nicht schon nach 3000 (NAND1) oder 30.000 Schreibzyklen (NAND2) den Geist aufgeben.