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27.07.2006

PCM könnte DRAM und Flash ersetzen

Phase Change Memory (PCM) ist ein neuartiger nicht volatiler Speicher, der ähnlich wie bei der CD oder DVD keine elektrische Ladung, sondern den Wechsel vom amorphen zum kristallinen Zustand eines bestimmten Materials nutzt.

Von Klaus Hauptfleisch

Bereits im Mai 2005 haben Infineon, IBM und Macronix eine Forschungsinitiative für Phase Change Memory (PCM) angekündigt. Fast zeitgleich hat Taiwans Industrial Technology Research Institute (ITRI) zusammen mit führenden DRAM-Herstellern der Insel die Entwicklung aufgenommen.

Wie ITRI-Vice-President Jyuo-Min Shyu bekannt gab, könne das Projekt schon 2007 mit einem Million-Bit-PCM aufwarten. Die nächste Generation von nicht volatilen Speicherbausteinen habe sogar das Zeug, DRAM und NAND-Flash abzulösen, zumal NAND-Flash im Bereich von unter 32 Nanometern (nm) zunehmend an seine Grenzen stoße.

Amorph oder kristallin

Bei PCM oder Phase Change RAM ändert sich der elektrische Widerstand des Speichermaterials in Abhängigkeit davon, ob es im amorphen (Reset-) oder kristallinen (Set-)Zustand ist. In der amorphen Phase sind die Atome unregelmäßig angeordnet und der Widerstand hoch, in der kristallinen Phase regelmäßig und der Widerstand ist niedrig. Für den Wechsel wird das zwischen zwei metallischen Elektroden befind- liche Material mit unterschiedlichen Temperaturen mehr oder weniger kurz erhitzt.

Als Material dient eine Chalkogen-Verbindung und ist dem von einer CD-RW oder DVD-RAM ähnlich, die ebenfalls im Phasenwechsel Daten speichern. Bei den Scheiben wird der Wechsel aber durch Erhitzen des Materials mit einem Laser bewirkt. Bei Phase Change Memory haben es die Entwickler geschafft, das Speichermedium in den Festkörper zu integrieren.

Für den Wechsel in den Reset-Zustand wird ein Teil des Phasenwechelmaterials durch einen Strompuls höherer Stromstärke (von meist mehreren Hundert Mikroampere) bei sehr geringer Dauer von etwa 50 Nanosekunden erhitzt und damit in den amorphen Zustand überführt.

Das Material kühlt sich dann so schnell wieder ab, dass es im amorphen Zustand bleibt. Für den Wechsel in den kristallinen Set-Zustand wird das Material einem längeren Strompuls von etwa 100 Nanosekunden mit geringerer Stromstärke (von bis zu wenigen hundert Mikroampere) ausgesetzt und so lange auf eine bestimmte Temperatur gebracht, dass sich Keime bilden und die Kristallisation eintritt.

Zum Auslesen der Daten wird eine Spannung mit so geringer Stromstärke angelegt, dass die Temperatur im Material nicht die für den Phasenwechsel kritische Höhe erreicht. Je nachdem, ob ein amorpher oder kristalliner Zustand vorherrscht, ändert sich der Stromfluss, und damit können die Informationen ausgelesen werden.

Der Durchbruch, der den Forschern aus Taiwan gelungen sein will, ist eine Schreib- oder Reset-Stromstärke von 0,5 mA bei einem Reset-Puls von 50 ns.