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Mikroelektronik: Der zarte Schmelz der Bits und Bytes

Beim Brennen von CDs oder DVDs ist das Verfahren bereits Standard: Ein Laser glimmt mikroskopisch kleine Datenpünktchen auf die schillernden Scheiben. Für Speicherchips ist eine vergleichbare Technik aber noch unausgereift. Doch nun haben niederländische Experimentatoren einen aussichtsreichen Weg gefunden, um künftig noch mehr Daten auf Computerchips speichern zu können.
RAM, ROM, SRAM, DRAM, SIMM, DIMM, RIMM – Hörten sich die Abkürzungen der Speichermedien von Computern bislang so an, als hätten Schlagzeuger dafür Pate gestanden, klingt eine möglicherweise neue Generation von Datenspeichern eher wie das Murmelgebet buddhistischer Mönche: OUM. Diese drei Buchstaben stehen für Ovonic Unified Memory, einem Kunstwort zu Ehren von Stanford R. Ovshinsky, Mitbegründer der Firma ECD Ovonics, und dem englischen Wort für Elektronik.

Die Firma propagiert eine ganz neue Technologie zum Speichern von Daten auf einem Computer. Sie sollen nicht länger in mikroskopisch kleinen Kondensatoren wie im Falle von DRAMs (Dynamic Random Access Memorys) abgelegt werden, sondern ähnlich wie bei wiederbeschreibbaren CDs oder DVDs durch eine lokale und umkehrbare Veränderung einer Trägersubstanz. Der Speicherbaustein könnte dann mehrere Millionen Mal mit neuen Daten gefüttert werden, die zudem – anders als bei DRAMs – selbst nach dem Abschalten des Rechners nicht verlorengingen; sie sind nicht flüchtig, wie Informatiker sagen.

Beim Brennen der schillernden Scheiben erhitzt ein Laserstrahl normalerweise Punkt für Punkt eine Legierung aus den Elementen Germanium, Antimon und Tellur. Die konzentrierte Hitze bewirkt auf der getroffenen Fläche einen räumlich eng begrenzten so genannten Phasenübergang: Das normalerweise kristalline Material, bei dem die Atome äußerst regelmäßig angeordnet sind, schmilzt blitzschnell auf, wird kurz flüssig und kühlt sich danach aber ebenso rasch wieder ab. Bevor sich die Atome von neuem auf ihre angestammten Positionen begeben können, ist die Trägersubstanz bereits wieder erstarrt. Zurück bleibt ein Fleckchen glasartiges, amorphes Material, das – zumindest bei der CD oder der DVD – Licht anderes reflektiert als der restliche kristalline Körper. So schreiben Brenner nach und nach ihre Botschaften auf die silberglänzenden Scheiben, die von weiteren Lasern ausgelesen werden können.

Mit ähnlichen Methoden versuchen Werkstoffphysiker bereits seit geraumer Zeit, Datenspeicher auch für Festplatten von Computern herzustellen. Derartige Chips haben bereits einen Namen. Sie heißen nach einer Firma Ovonic Unified Memory (OUM) oder allgemein Phase Change Random Access Memories (PCRAM). Letzterer Name beschreibt deren Funktionsweise: Der mehrfache Zugriff (Random Access) auf die gespeicherten "Erinnerungen" (Memories) soll durch einen Phasenübergang (Phase Change) eines Trägermaterials bewerkstelligt werden.

Durch Anlegen einer Spannung – was der Zufuhr von Energie entspricht – verwandeln die Techniker mikroskopisch kleine Speicherpunkte von kristallin zu amorph und wieder zurück. Das verändert jeweils drastisch deren elektrischen Widerstand, was sich als Informationseinheit deuten lässt: Hoher Widerstand entspricht der Informationseinheit "0"; gute Leitfähigkeit entspricht der "1".

Doch erwiesen sich die zum jeweiligen Aufschmelzen der Datenpunkte notwendigen Energien bislang als technische Hürde. Müssen dazu kurzfristig doch lokal Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius erreicht werden. Diese Energie muss per Strom dorthin geführt werden, da Laserstrahlen für den Einsatz in Speicherchips ungeeignet sind.

Dazu müssen die Techniker vergleichsweise hohe Spannungen an den Speicherchip anlegen, die den Mikrochip schnell heiß laufen lassen und zu einem Stromfresser machen. Das widerspricht aber dem Trend nach immer höherer Computerleistung bei immer geringerem Stromverbrauch. Ist heute doch selbst das kabellose Arbeiten mit Laptops oft nur ein kurzes Vergnügen, weil der Akku schnell schlapp macht.

Zugleich streben die Entwickler noch höhere Datendichten an als die von DVDs. Deren Pits genannten Datenpunkte sind zwar nur einige hundert Nanometer groß. Die Speicherchiphersteller denken bei ihren PCRAMs aber an eine mindestens zehnmal kleinere Strukturen. Bislang erblickten daher nur wenige Prototypen das Laborlicht der Welt.

Das soll künftig anders werden, dachten sich Wissenschaftler des niederländischen Philips Forschungslaboratoriums in Eindhoven um Martijn Lankhorst. Sie glauben, andere Teams, die bislang versuchten, derartige Chips zu erschaffen, befinden sich auf dem Holzweg und überlegten sich ein vollkommen neues Design.

Haben die elektronischen Datenpunkte üblicherweise bislang eine T-förmige Struktur mit verhältnismäßig großen Kontaktflächen der stromführenden Elektroden zum phasenveränderlichem Material, besteht das neue Element aus zwei kleinen Rechtecken, die durch eine hauchfeine Brücke aus phasenveränderlicher Substanz miteinander verbunden sind. Diese lässt sich mit wesentlich weniger Energie erwärmen.

Benötigen bisherige Labormuster einige Volt Spannungen, glauben die Philips-Forscher den Wert unter zwei Volt drücken zu können. Die Geometrie der Anordnung kommt ihnen dabei entgegen: Je kleiner die Struktur, desto geringer der Energieverbrauch zum Schalten der Brücke. Gleichzeitig sinkt die Zugriffszeit. Das Ziel liegt bei unter 50 Nanosekunden für einen Bitwechsel.

Darüber hinaus testeten die niederländischen Tüfftler andere Legierungen. Nutzen Forscherteams bislang die bei DVDs üblicherweise in Gebrauch befindlichen Verbindungen aus Germanium, Antimon und Tellur, so begnügten sich die Philips-Techniker mit Verbindungen aus den beiden letzt genannten Elementen, denen sie gezielt Spuren anderer Atome hinzufügten. Das verbesserte gleichermaßen die thermischen Eigenschaften des Speicherelements.

Da die vom niederländischen Team vorgeschlagene Geometrie zudem relativ simpel ist, lassen sich nach ihrer Ansicht derartige Bauelemente massenweise mit relativ wenigen Prozessschritten kostengünstig herstellen. Philips hofft daher, in absehbarer Zukunft noch leitungsstärkere Speicherchips für Computer auf den Markt werfen zu können.

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