100 Millionen Röntgenstrahlen überlebt: Neuer Speicher trotzt dem All
Neuer NAND-Speicher übersteht Strahlung wie 100 Millionen Röntgenstrahlen und könnte Raumfahrt und KI-Systeme verändern.
Asif Khan und Lance Fernandes stellten die ferroelektrischen NAND-Speicherchips im Reinraum der Georgia Tech her und schickten die Chips anschließend zur Strahlungstestung an Kollegen an der Pennsylvania State University. Diese Tests zeigten, wie extrem die Belastbarkeit dieser Technologie sein kann.
Foto: Georgia Tech
Künftige Raumfahrtmissionen erzeugen immer größere Datenmengen. Satelliten beobachten die Erde in hoher Auflösung, Raumsonden analysieren fremde Planeten und KI-Systeme sollen Entscheidungen zunehmend direkt an Bord treffen. Genau das wird jedoch zum Problem. Denn herkömmliche Speichertechnologien geraten im All schnell an ihre Grenzen.
Forschende der Georgia Tech haben deshalb einen neuen NAND-Flash-Speicher entwickelt, der selbst extrem hohe Strahlungsdosen übersteht. Die Technologie könnte künftig dafür sorgen, dass Raumfahrzeuge große Datenmengen zuverlässiger speichern und verarbeiten können.
Inhaltsverzeichnis
Das Problem mit normalem Flash-Speicher
NAND-Flash-Speicher steckt heute praktisch überall:
- in Smartphones,
- SSDs,
- Rechenzentren,
- Satelliten,
- und modernen KI-Systemen.
Auch Raumfahrttechnik nutzt zunehmend solche Speicher. Der Grund liegt auf der Hand: NAND bietet hohe Speicherdichte bei geringem Energieverbrauch.
Im Weltraum herrschen jedoch Bedingungen, für die viele herkömmliche Chips nie entwickelt wurden. Kosmische Strahlung kann gespeicherte Daten verändern oder vollständig zerstören. Besonders kritisch wird das bei langen Missionen weit entfernt von der Erde. Dort lassen sich Fehler nicht einfach korrigieren oder Hardware austauschen.
„Wenn man herkömmliche Flash-Speicher ins All schickt, kann die Strahlung, die mit der im Flash-Speicher eingeschlossenen elektrischen Ladung in Wechselwirkung tritt, die Daten leicht beschädigen“, erklärt Asif Khan von der Georgia Tech.
Der entscheidende Unterschied steckt im Material
Das Forschungsteam verfolgt deshalb einen anderen Ansatz. Statt Informationen als elektrische Ladung zu speichern, nutzt der neue Speicher sogenannte Ferroelektrizität.
Dabei speichern bestimmte Materialien dauerhaft elektrische Polarisationen. Vereinfacht gesagt: Die Information sitzt nicht mehr in empfindlichen Ladungen fest, sondern direkt in der inneren Struktur des Materials.
Zum Einsatz kommt Hafniumoxid. Das Material ist mit moderner Halbleitertechnik kompatibel und gilt seit einigen Jahren als vielversprechender Kandidat für neue Speichergenerationen.
Der Vorteil zeigt sich vor allem unter Strahlung. „Im Gegensatz dazu speichert der ferroelektrische NAND-Flash-Speicher Daten nicht als eingeschlossene elektrische Ladung, sondern als Polarisation im Material. Und Polarisation ist sehr widerstandsfähig gegenüber Strahlungseffekten“, sagt Khan.
30-mal widerstandsfähiger als heutige Speicher
Besonders interessant sind die Ergebnisse der Strahlungstests. Die Forschenden ließen die Speicherchips an der Pennsylvania State University untersuchen. Dort mussten die Bauteile extremen Belastungen standhalten. Das Resultat überraschte selbst das Forschungsteam.
Die Chips überstanden Strahlungsdosen von bis zu einer Million Rad. Das entspricht laut den Forschenden etwa 100 Millionen Röntgenstrahlen. Herkömmlicher NAND-Flash erreicht solche Werte nicht annähernd. Der neue Speicher soll rund 30-mal widerstandsfähiger sein.
Zum Vergleich:
- Satelliten im niedrigen Erdorbit benötigen typischerweise 5 bis 30 Kilorad,
- geostationäre Satelliten etwa 100 bis 300 Kilorad,
- Missionen im tiefen All erreichen deutlich höhere Werte.
Die neue Technik deckt damit selbst anspruchsvolle Szenarien ab. Denkbar wären Einsätze bei Missionen zu den Jupitermonden oder anderen Regionen mit hoher Strahlenbelastung.
Warum KI im All solche Speicher braucht
Die Forschung passt zu einem grundlegenden Wandel in der Raumfahrt. Raumfahrzeuge sollen künftig deutlich autonomer arbeiten.
Die Kommunikation mit weit entfernten Sonden dauert oft Minuten oder sogar Stunden. KI-Systeme müssen deshalb viele Entscheidungen selbst treffen. Dafür benötigen sie große Mengen an lokal verfügbarem Speicher.
Genau dort liegt ein weiterer Vorteil ferroelektrischer Speicher:
- hohe Speicherdichte,
- geringer Stromverbrauch,
- hohe Strahlungsresistenz,
- schnelle Datenverarbeitung.
„Für die Datenspeicherung im Weltraum reicht es nicht aus, dass der Speicher funktioniert. Er muss auch unter extremer Strahlung zuverlässig bleiben“, sagt Erstautor Lance Fernandes.
Ein Beitrag von:
