Nano-Chip als neuer Datenspeicher

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Memristoren sollen unfassbar flache und federleichte Notebooks ermöglichen, die sofort nach dem Einschalten betriebsbereit sind und Speicherplatz für riesige Film-Sammlungen bieten. 2013 könnte dieser Traum wahr werden. Mit einem Nano-Bauteil, das 36 Jahre nur als Theorie existierte.

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In den 1960er-Jahren forschte der Mathematiker Leon Chua von der kalifornischen Universität in Berkeley an der Theorie der passiven, elektronischen Bauelemente: Widerstand, Spule und Kondensator. Es ging nicht auf; ihm fehlte etwas. Doch dann löste Chua das Rätsel. 1971 veröffentlichte er seine wissenschaftliche Arbeit mit der Vorhersage, dass ein viertes, passives Element existiere: Der Memristor. Niemand wusste, wie man ihn baut – auch Chua selbst nicht. Die Theorie erreichte das unausweichliche Schicksal der Versenkung in den Aktenschränken.

Chuas Aufsatz wäre wohl noch lange vergessen geblieben. Einem Mitarbeiter des Computerkonzerns HP flog er zufällig zu und obwohl er ihn nicht verstand, reichte er ihn an seinen Chef weiter. Aber auch Stan Williams, Physiker und hochrangiger Forscher bei HP, verstand ihn zunächst nicht, holte ihn immer wieder hervor und versuchte dahinterzukommen. Es dauerte vier Jahre, bis Williams die Theorie verstand.

Geheimnis des Memristors

Aufnahme des in den HP Labs hergestellten Schichtverbundes von 17 Memristoren mittels eines Rasterkraftmikroskops. (J. J. Yang, HP Labs)

Ein Memristor kann Informationen elektronisch speichern, indem er unter Spannung Atome schiebt. Er braucht zum Speichern weder Ladung noch Energie. Bei Atom-Verschiebung unter Spannung bleiben Daten erhalten, auch wenn der Strom wieder aus ist. Anders verhalten sich beispielsweise Transistoren, die heute in Arbeitsspeichern (RAM) sind – ist da der Strom aus, sind auch die Daten weg. Die Spannung von Memristoren lässt sich messen, weil sich durch die Verschiebung der Widerstand des Bauteils ändert.Da unsere elektronischen Geräte immer kleiner und leistungsstärker werden, stossen die derzeitigen Speicherformen an Grenzen. Memristoren sind äusserst viel versprechend für die Entstehung neuer Arten von Speicher, die sehr hohe Ausdauer haben. Sie können viele Male geschrieben, gelöscht und neu geschrieben werden, sind hoch skalierbar und stabil, noch dazu verbrauchen sie wenig Strom. Gerade bei Teilen wie dem Arbeitsspeicher ist der Stromverbrauch enorm wichtig. Kleinste Einsparungen im Verbrauch multiplizieren sich zu signifikant weniger Energieverschleiss in Servern mit dutzenden RAM-Modulen und hunderten Gigabyte pro Prozessor.

Null Startzeit am Memristor-Rechner

Stan Williams löste das Geheimnis des Memristors. (HP)

Rechner mit Memristoren sind nach dem Einschalten sofort betriebsbereit. Memristoren sind vorwiegend noch als nichtflüchtige Datenspeicher bekannt, sie lassen sich aber, wie HP-Forscher im letzten Jahr herausfanden, auch für Berechnungen einsetzen. Memristoren könnten sogar die Grundlage der nächsten Generation hochverdichteter, nichtflüchtiger Speicherchips und Logik-Schaltungen bilden, die biologische Synapsen imitieren. HP und Speicherhersteller Hynix haben im vergangenen Jahr die industrielle Produktion der ersten Arbeitsspeicherchips angekündigt, die aus Memristoren bestehen. Die Chips sollen unter dem Produktnamen ReRAM in den Handel kommen. Laut der Website «Tom’s Hardware» könnten in die seriell hergestellten ReRAM-Module bis 12 Gigabyte pro Quadratzentimeter untergebracht werden, sofern vier Dies (Plättchen) mit Strukturbreiten von 15 Nanometern aufeinander lägen.

HP forscht weiter

Das Memristor-Team bilden (von links) Dimitri Strukov, Stan Williams, Duncan Stewart und Greg Snider. (Brett Bausk, HP)

Damit Memristoren ihr Potenzial als Treiber für Innovationen in der Computer-Speicher und -Logik erreichen, ist ein besseres Verständnis der physikalischen Prozesse nötig, die im Nanobereich innerhalb Memristoren auftreten. Eine aktuelle Arbeit von Forschern der HP Labs und der Universität von Santa Barbara beschreibt neue Entdeckungen der internen Struktur von Titaniumoxid-Memristoren. Sie tut dies in allen drei Dimensionen: Dem chemischen, thermischen und strukturellen Abbild der Schaltposition eines bipolaren Memristors.

(Marco Rohner)

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