Speichermedien 12.07.2002, 18:20 Uhr

Viel Gedächtnis in Speicherchips

Speicherchips, die ihren Inhalt auch ohne Betriebsstrom erhalten, können in PCs die Festplatte und den Arbeitsspeicher ersetzen. In mobilen Anwendungen versprechen sie vor allem geringe Systemkosten.

Weltweit arbeiten die großen Halbleiter-Hersteller fieberhaft – wenn auch aus Konkurrenzangst eher im Geheimen – an neuartigen nichtflüchtigen Speicher-Chips, die den Umgang mit dem PC revolutionieren: Verlieren heutige Arbeitsspeicher aus Dram-Chips beim Ausschalten schlicht das Gedächtnis, erinnern sich die neuen stets an ihren letzten Speicherinhalt. Vorteil: Damit ausgerüstete Computer sind beim Einschalten sofort betriebsbereit und dies selbst noch nach Jahren.
In zwei bis drei Jahren beginnen nichtflüchtige Speicher ihren „großen Marsch“, prognostiziert Hanns-Ulrich Habermeier vom Stuttgarter Max-Planck-Institut für Festkörperphysik. Dank ihres Langzeitgedächtnisses könnten die neuen Chips sogar Festplatten ersetzen. Die Rechner werden dadurch nicht nur deutlich schneller, sondern auch viel billiger und kleiner. Zudem verbrauchen sie weniger Strom. Vor allem Handys, PDAs (tragbare digitale Assistenten), Digitalkameras und portable MP3-Player profitieren von nichtflüchtigen Speichern, meint Axel Sikora, Professor für Informationstechnik an der Berufsakademie Lörrach: „Die Chips werden die langsamen Flash-Karten oder Mini-Disks ersetzen, die in vielen tragbaren Geräten als Speichermedium dienen.“
Heute übliche Dram-Chips (Dynamic Random Access Memory) speichern die Bits in Kondensatoren, die sich schnell entladen. Sie müssen daher ständig aufgefrischt werden: Ohne Strom vergessen sie ihre Inhalte sofort. Sollen Daten dauerhaft gespeichert werden, so tut das in PCs die Festplatte. Doch wegen ihrer vielen mechanischen Teile geht sie äußerst gemächlich zu Werke.
Die Trennung in Arbeitsspeicher und Festplatte kann mit den neuen nichtflüchtigen Speicher-Chips entfallen, da sie die Daten ohnehin dauerhaft speichern. „Auch viele tragbare Geräte wie PDAs haben einen doppelten Speicher“, erklärt Sikora. Die Festplatte ersetzt bei ihnen ein so genannter Flash-Speicher, der zwar elektronisch, aber dennoch sehr langsam arbeitet. Die eigentliche Datenverarbeitung findet im schnellen Arbeitsspeicher statt. Baut man in künftige PDAs die schnellen nichtflüchtigen Chips ein, benötigen sie keinen Flash-Speicher mehr.
„Durch die Reduzierung auf nur einen einzigen Speicher lassen sich in vielen Bereichen die Systemkosten ganz massiv senken“, sagt Sikora. In Zukunft sind sogar superschnelle und billige Ein-Chip-Computer denkbar, bei denen der Speicher gleich mit auf dem Prozessor-Chip sitzt. „Monolithische Integration“ nennen Elektroniker diese Schrumpfkur.
Die großen Halbleiterschmieden wie Motorola, Hewlett-Packard, IBM, Infineon, Philips sowie koreanische und japanische Hersteller entwickeln derzeit eine ganze Reihe technisch unterschiedlicher Varianten nichtflüchtiger Speicher. Die größten Marktchancen räumen Experten dem so genannten Magnetoresistiven Speicher (M-Ram) sowie dem Ferroelektrischen Ram (auch Fe-Ram genannt) ein. Beide speichern Daten nach dem Ausschalten mindestens zehn Jahre lang.
Andere Varianten nichtflüchtiger Speicher befinden sich derzeit noch im Stadium der Grundlagenforschung. Intel favorisiert OUM-Chips (Ovonics Unified Memory). Darin erhitzt Strom das Silizium auf unterschiedlich hohe Temperaturen. Bei starker Erhitzung zerfallen die Siliziumkristalle zu einem (amorphen) Klumpen. Bei langsamer Erhitzung bilden sich wohlgeformte Kristalle. Jede Speicherzelle kann zwischen beiden Zuständen, die das Speicher-Bit bilden, hin- und herschalten. Ebenfalls in einem frühen Forschungsstadium befindet sich der kürzlich von IBM vorgestellte Prototyp eines Tausendfüßler-Chips: „Millipede“ sticht seine Informationen mit Tausenden winzigen Siliziumnadeln in eine nicht wechselbare Kunststofffolie. Doch der als Festplattenersatz in tragbaren Geräten konzipierte Chip arbeitet wegen seiner mechanischen Konstruktion eher langsam und ist empfindlich für Stöße.
„Die heißesten Kandidaten im Wettrennen der nichtflüchtigen Speicher-Chips sind Fe-Ram und M-Ram“, sagt Wolfram Maass von der deutschen Firma Singulus in Kahl, die Fertigungsanlagen für optische Speichermedien und Chips herstellt. Während kleinere Fe-Rams bereits im Handel erhältlich sind, gehen M-Rams erst 2003 oder 2004 in die Massenfertigung. Die beiden Typen zielen auf unterschiedliche Märkte: „Fe-Ram ist ein sehr solide Technik, die bereits heute für kleine, besonders zuverlässige Speicher verwendet wird, etwa in Spezialchips zur Datenverschlüsselung“, sagt Sikora. M-Ram hingegen ziele eher auf den Massenmarkt – wie den Einsatz in PCs oder Digitalkameras. Ein weiterer Vorteil der M-Ram-Chips ist ihr im Vergleich zu Dram deutlich niedrigerer Stromverbrauch, der Energie spart, die Rechner kühl hält und bei Laptops längere Laufzeiten ermöglicht.
M-Rams zählen zu den ersten „Vorzeige-Produkten“ der Nanotechnologie: Die dünne Leiterschicht zwischen den beiden Magnetplatten ist nur etwa zehn Atom-Lagen dick. In solch dünnen Schichten treten Effekte auf, die sich sonst nicht beobachten lassen. Dass Magneten den Strom in ultradünnen Schichten beeinflussen, entdeckten 1988 – unabhängig voneinander – der französische Physiker Albert Fert und sein deutscher Fachkollege Peter Grünberg – nicht zufällig gerade zu der Zeit, als nanometerdünne Schichten technisch herstellbar wurden. Dieser in Fachkreisen „Giant Magnetoresistance“ (GMR) genannte Effekt revolutionierte 1998 zunächst die Festplatten-Technik – damit ließen sich winzig kleine Leseköpfe fertigen. Bald kamen kalifornische IBM-Forscher auf die Idee, den GMR-Effekt auch für Chip-Speicher zu nutzen. Erste funktionierende M-Ram-Labormuster präsentierte IBM im Jahr 2000. Eine M-Ram-Speicherzelle benötigt nur rund 60 % der Fläche einer Dram-Zelle. Mindestens ebenso überzeugend ist das Tempo: „M-Ram-Chips“, so Maas, „arbeiten bis zu hundertmal schneller als D-Ram.“ CLAUS-PETER SESIN

Ferroelektrische Rams
Atom im Käfig
Bei ferroelektrischen Speichern, den Fe-Rams, besteht jede Speicherzelle aus Tausenden winzigen Kristall-Käfigen, die jeweils ein einziges geladenes Atom (Ion) in ihrem Innern „gefangen“ halten. Das Atom kann gleichsam zwischen zwei Käfigstangen hin- und herspringen. Ausgelöst wird der Sprung durch ein kurzzeitig angelegtes äußeres elektrisches Feld. Danach bleibt das Atom auch dann stabil auf seiner jeweiligen Position sitzen, wenn das Feld (bzw. der Strom) abgeschaltet ist. Dadurch entsteht die gewünschte Langzeit-Speicherung. Die beiden Positionen stehen für die digitale Null bzw. Eins. Beim Lesen der Zelle verrät die Höhe des aufgewandten Stroms, ob das Atom durch ihn verschoben wurde oder bereits zuvor in der gegenüberliegenden Position saß. Als „Käfig“ für die Ionen dienen die bereits in den fünfziger Jahren entdeckten Perovskit-Kristalle, die aus einer oder mehreren Schichten exotischer Metall-Oxyde bestehen. cps

Magnetoresistive Speicher
Magnetfeld verändert Widerstand
Magnetoresistive Speicher, M-Ram, arbeiten mit mikroskopischen Magneten, die perfekt in das umgebende Halbleitermaterial integriert sind. Jede Speicherzelle besteht aus zwei winzigen Magnetplättchen, die mittels einer extrem dünnen Leiterschicht voneinander getrennt sind. Die Plättchen ähneln Stabmagneten und haben jeweils einen magnetischen Nord- und Südpol. Die obere Platte kann magnetisch umgepolt werden – mit Hilfe eines durch benachbarte Leiterbahnen geschickten elektrischen Stroms, der ein Magnetfeld erzeugt. Je nach Polausrichtung speichert die Zelle eine digitale Null oder Eins. Ohne äußere Einflüsse bleibt die Polung mindestens zehn Jahre erhalten. Zum Lesen wird ein Strom durch die dünne Leiterschicht zwischen den Magnetplättchen geschickt. Die Stromstärke hängt von der Polung der Plättchen ab: Liegen die Nord- und Südpole übereinander, sinkt der elektrische Widerstand in der Schicht und es fließt mehr Strom. Liegen die Pole gegenüber, steigt der Widerstand, es fließt weniger Strom. cps

Von Claus-Peter Sesin
Von Claus-Peter Sesin

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