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IT-Technik PCM-Halbleiterspeicher lösen Flash-Karten ab

Flash-Speicher ergänzen als schnelle und mobile Speichereinheiten die klassische Festplatte. Doch Experten sehen schon ihr Ende voraus. Flash-Speicher sollen durch neuartige C-RAM-Bausteine ersetzt werden. Für 2016 wird deren massenhafter Einzug in die Informationstechnologie erwartet.

Von Peter Welchering | 14.06.2014

Ein schwarzer USB-Stick in einer Nahaufnahme.
Ein herkömmlicher USB-Stick kann etwa 1000 Mal beschrieben werden - ein PCM-Chip hingegen zehn Millionen Mal. (picture alliance - Romain Fellens)
Smartphones, Digitalkameras und immer mehr Sensoren für das smarte Heim oder die smarte Stadt sorgen für eine unglaubliche Datenflut. Alle diese Daten müssen gespeichert werden. Dabei dürfen die Speichermedien nur wenig Energie verbrauchen, müssen die Daten sicher speichern und vor allen Dingen muss Speicher extrem preisgünstig hergestellt werden.
Je nach Datenart und den Verarbeitungsanforderungen an diese Daten, werden sehr unterschiedliche Speichermedien eingesetzt. Richard Rutledge, Forschungschef beim Festplattenhersteller Seagate, beschreibt das so:
"Datenspeicher sind ein großes Universum. Dort haben alle Technologien ihren Platz, angefangen beim Magnetband über die Festplatten, über optische Laufwerke bis hin zu Flash-Speichern. Jedes Speichermedium dient einem bestimmten Zweck. Wir nutzen optische Medien für große Datenmengen, wie Software oder Filme, in verteilten Umgebungen, wir nutzen Festplatten, um alle diese Daten vor Ort zu speichern. Wir nutzen Flash-Speicher in mobilen Geräten, die kleine Speichereinheiten brauchen, um die Daten einzufangen und zu sammeln, bevor sie dann endgültig abgespeichert werden."
Unzufriedenheit mit Flash-Speichern wächst
Ein entscheidender Erfolgsfaktor im Speichergeschäft ist die Kombination von Speichersystemen. Videoströme von Überwachungskameras etwa werden zunächst auf Flash-Speichern abgelegt. Nur wenn es ganz besondere oder außergewöhnliche Ereignisse gab, wird das Überwachungsvideo auf das Archivspeichersystem geschickt. Das soll sich nun ändern. Denn die Unzufriedenheit mit Flash-Speichern wächst. Kurt Gerecke, Entwicklungsingenieur bei IBM erläutert das:
"Man hat immer sehr viele Vorbehalte gehabt bezüglich des Flash-Speichers wegen seiner Haltbarkeit. Die Produzenten, voran Samsung und Toshiba, die haben zum Beispiel die SLC-Technik limitiert, EMLC liegt bei 30.000 Schreibvorgängen, MLC hat man letzten Herbst runtergenommen von 5000 auf 3000 Schreibzyklen. Und die TLC-Technik, unser USB-Stick, liegt bei 1000 Schreibzyklen."
In diesem Jahr ist die Flash-Technik auf ihrem Höhepunkt, auch, was die Zahl der verkauften Speichereinheiten angeht. Das wird aber nach dem Urteil Kurt Gereckes ab dem Jahr 2016 zurückgehen. Und das, obwohl die Speicherkapazität der Flash-Speichersysteme noch einmal massiv ausgebaut werden kann. Kurt Gerecke:
"Der Flash, der geht massiv weiter. Aber er wird trotzdem ein relativ kurzes Leben haben, weil eine neue Technologie ansteht. Das ist eine Technologie, die wir aus dem optischen Bereich als Phasenwechselspeicher kennen. Neudeutsch heißt das jetzt PCM-Chips, phase change memories, die Einzug halten werden, und deren Blütezeit für 2016 prognostiziert wird."
PCM-Speicher machen sich die Erkenntnis zunutze, dass sich die elektrische Leitfähigkeit an Chalkogenide genannten chemischen Verbindungen ändert, wenn sich die Struktur dieser chemischen Verbindungen ändert. Entweder liegt eine Kristallstruktur vor oder eine ungeordnete amorphe Struktur. Diese beiden Strukturen oder Phasen stellen eine 0 oder eine 1 dar.
Liegt ein hoher Strompuls an, wird aus der Kristallstruktur eine ungeordnete amorphe Struktur. Ein Bit ist dann gesetzt. Die Chemikalie kühlt sich dann nach einem solchen Strompuls so schnell ab, dass sie amorph bleibt und nicht kristallisiert. Das Bit bleibt also dauerhaft gespeichert. Im wesentlichen werden sich die C-RAM oder auch PCM-Chip genannten Phasenwechselspeicher aus zwei Gründen durchsetzen, meint Kurt Gerecke.
"Die Vorteile beim PCM-Chip, die liegen darin, dass die Haltbarkeitsdiskussion, die wir beim Flash hatten, nicht mehr da ist. Denn einen PCM-Chip kann man etwa zehn Millionen Mal überschreiben, problemlos. Das ist der erste Vorteil. Der zweite Vorteil ist das Antwortzeitverhalten, was nicht mehr im Mikrobereich liegt. Ein Flash-Chip zum Beispiel, der schnellste, der performed bei acht Mikrosekunden, ein PCM-Chip liegt zwischen 600 und 900 Nanosekunden."
PCM-Chips statt Flash, damit kann sich auch Festplatten-Forscher Richard Rutledge von Seagate anfreunden. Die bisherigen Flash-Speicher werden nach seinem Dafürhalten in den nächsten Jahren durch die PCM-Halbleiterspeicher ersetzt werden. Allerdings sieht er auch die PCM-Speicherbausteine nur als Brückentechnik. In zehn Jahren müssten auch sie durch Nanodrähte ersetzt werden. Das würde die Kombination von Festplatte und nicht-flüchtigem Arbeitsspeicher so richtig effizient machen.
"Die meisten verbinden Nanotechnologie mit Halbleiterherstellern wie Intel. Unsere Festplatte hat da aber eine ähnliche Geometrie. Deshalb müssen die Speicherhersteller Nanotechnologie ähnlich einsetzen wie die Mikroprozessor-Technologie."
Bei der Festplatte werden bisher das Speichermedium und ein Schreib-Lese-Kopf bewegt, um die Daten zu schreiben oder zu lesen. Bei Speichern auf Nanodraht-Basis zum Beispiel werden gegensätzliche magnetische Regionen in einem Nanodraht angelegt. Dort werden die Daten gespeichert. Die Schreib-Leseeinheit sitzt in der Mitte des Nanodrahtes, festverschraubt sozusagen. Die Bits werden durch den Nanodraht zu diesen Einheiten verschoben, damit sie gelesen werden können. Werden Daten auf den Nanodatenträger geschrieben, flitzen die Bits von der Schreibeinheit in die magnetische Region des Nanodrahtes, der sie aufnehmen soll. Aber diese Forschungen stehen noch am Anfang. Mindestens zehn Jahre dürften noch ins Land gehen, bis Nanodrähte die nichtflüchtigen C-RAMs ablösen.