Ingenieure in den Vereinigten Staaten und Taiwan sagen, sie hätten eine vielversprechende neue Variante des nichtflüchtigen Speichers demonstriert, der klein genug, sparsam im Energieverbrauch und bei ausreichend niedriger Spannung arbeitet, um die Fähigkeiten künftiger Prozessoren zu steigern.

Das Gerät ist eine Art Phasenwechselspeicher, eine Speicherklasse, die Informationen in Form von Widerständen speichert und diesen Widerstand durch Schmelzen und Neubildung seiner eigenen Kristallstruktur ändert. Der fragliche Kristall, ein sogenanntes Nanokomposit-Übergitter, führt laut einer Studie, die letzte Woche in veröffentlicht wurde, zu einer Verbesserung der zum Schreiben eines Bits erforderlichen Energiemenge um eine Größenordnung Naturkommunikation. Die Ingenieure sagen, dass diese Form des Phasenwechselspeichers (PCRAM) besonders nützlich für zukünftige Compute-in-Memory-Systeme wäre, die beim maschinellen Lernen Energie sparen, indem weniger Daten zwischen Speicher und Prozessor verschoben werden.

„Mit einer so niedrigen Schaltung ist eine Logik- und Speicherintegration möglich.“ –Asir Intisar Khan, Stanford

PCRAM wurde bereits kommerzialisiert, stellt jedoch kein großes Marktsegment dar. Man betrachtet sie als eine Zwischentechnologie: Sie ist nichtflüchtig wie Flash-Speicher, aber schneller. Dennoch ist es langsamer als DRAM, der flüchtige Hauptspeicher eines Computers. Ein einzelnes Phasenwechselgerät kann jedoch möglicherweise mehr Daten speichern als ein einzelnes Gerät der anderen.

Zu den Problemen, die PCRAM zurückhalten, gehört, dass es zu viel Strom benötigt, um zwischen den Zuständen umzuschalten. Die Bemühungen, dies zu beheben, waren jedoch mit Kompromissen verbunden, beispielsweise mit schwankenden Widerstandswerten. In früheren Untersuchungen gelang es dem an der Stanford University ansässigen Teil des Teams, sowohl den Strom zu reduzieren als auch den Widerstand zu stabilisieren. Ihre Antwort war eine Struktur namens Übergitter, die sich wiederholende Schichten aus zwei verschiedenen Kristallmaterialien im Nanometerbereich umfasst. In einer solchen Struktur schränken Lücken im atomaren Maßstab zwischen den Schichten den Wärmefluss ein, sodass weniger Strom benötigt wird, um die Struktur zu erhitzen und ihre Phase zu ändern.

Allerdings waren diese frühen Supergitter-Bauelemente zu langsam zum Schalten und viel zu groß für den Einsatz in Logikchips – etwa 600 Nanometer im Durchmesser. Und obwohl sie eine verbesserte Energieeffizienz zeigten, war die Betriebsspannung des Geräts zu hoch, um von der CMOS-Logik angetrieben zu werden, sagt der Stanford-Postdoktorand Asir Intisar Khan. Das Team wollte herausfinden, ob das Superlattice-Konzept funktionieren würde, wenn es auf die Größe und andere Anforderungen für den Einsatz in CMOS-ICs verkleinert würde, und ob dies die Art schwieriger Kompromisse mit sich bringen würde, die bei der Verbesserung von PCRAM normalerweise erforderlich sind.

Das Ziel war ein schnell schaltendes Gerät mit niedriger Spannung und geringem Stromverbrauch, das nur einige zehn Nanometer breit war. „Wir mussten es auf 40 Nanometer verkleinern, aber gleichzeitig all diese verschiedenen Komponenten optimieren“, sagt Khan. „Wenn nicht, wird die Industrie es nicht ernst nehmen.“

Um dorthin zu gelangen, war ein neues Material für das Gitter erforderlich, GST467, eine Verbindung mit einem Verhältnis von Germanium, Antimon und Tellur von 4:6:7. GST467 wurde von Forschern der University of Maryland entdeckt, die später mit denen von Stanford und TSMC zusammenarbeiteten, um es im Übergitter-PCRAM zu verwenden. Das neue Material gilt als Nanokomposit, da es Kristallfacetten im Nanometerbereich aufweist. „Diese können als Kristallisationsvorlage dienen“, erklärt Xiangjin Wu, Doktorand im Labor von Eric Pop in Stanford. Diese Vorlagen erleichtern es dem Gerät, seine Kristallstruktur wiederherzustellen, wenn ein neues Bit geschrieben wird.

Mit einem Übergitter, das zwischen Schichten aus GST467 und Antimontellurid wechselt. Khan, Wu und ihr Team haben 40-Nanometer-Geräte entwickelt, die bei 0,7 Volt arbeiten und in etwa 40 Nanosekunden schalten, während sie weniger als 1,5 Pikojoule verbrauchen. Darüber hinaus war der Grad der Widerstandsdrift gering, er überstand etwa 200 Millionen Schaltzyklen und konnte Daten in acht verschiedenen Widerstandszuständen für die Multibit-Speicherung pro Gerät oder für die Verwendung in analogen Schaltkreisen für maschinelles Lernen speichern.

„Mit einer so niedrigen Schaltstufe ist eine Logik- und Speicherintegration möglich“, sagt Khan. Die Speicherzellen können mit gewöhnlichen Logiktransistoren gesteuert werden, statt wie bisher mit größeren I/O-Geräten.

Khan sagt, dass die Forscher nicht nur die Lebensdauer des Geräts bei höheren Temperaturen weiter verbessern, sondern auch untersuchen werden, welche Vorteile auf Systemebene die Integration des neuen PCRAM in Logikchips mit sich bringen könnte. Dies könnte insbesondere bei experimentellen 3D-Chips nützlich sein, die von unten nach oben aufgebaut werden, anstatt aus sorgfältig verbundenen Stapeln bereits aufgebauter Silizium-ICs, wie dies heute bei einigen fortschrittlichen CPUs und GPUs der Fall ist. Das neue PCRAM könnte sich gut für die Integration auf Silizium- oder anderen Schichten eignen, da für die Bildung des Geräts keine hohen Temperaturen erforderlich sind, die die darunter liegenden Schichten beschädigen würden.

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By rb8jg

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