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Memristoren - Speicherchips mit Gedächtnis

08.04.2014 | 10:31 Uhr |

Memristoren behalten als nicht-flüchtiger Speicher ihre Schaltungszustände auch ohne Spannungsversorgung. Die neuen und revolutionären Bauelemente können künftig sowohl Flash-Speicher als auch DRAM ersetzen.

Ein aktueller PC mit SSD und Windows 8 benötigt nach einem Kaltstart rund 20 Sekunden zum Hochfahren. Und auch ein Android-Tablet dreht einige Sekunden an der Sanduhr, bis das Betriebssystem komplett vom Flash-Speicher geladen ist. Solche Wartezeiten wird es womöglich schon bald nicht mehr geben, denn die Speicherchips der Zukunft vergessen ihre Daten nicht mehr, wenn sie abgeschaltet sind. „Memristor“ heißt das neue Bauelement – ein Kunstwort aus „Memory“ (Speicher) und „Resistor“ (Widerstand). Ein Memristor ändert seinen Widerstand abhängig davon, wie viel Strom durch ihn fließt. Der Clou: Auch wenn der Strom abgeschaltet ist, geht diese Information nicht verloren. Und durch den umgekehrten Stromfluss lässt sich der elektrische Widerstand wieder verringern.

Widerstand mit Erinnerungsvermögen

An vorhergehende Schaltungszustände kann sich ein Memristor also erinnern. Genau das macht das bereits vor 40 Jahren konzipierte, aber erst jetzt serienreife Bauelement zum Träger einer neuen Hardware-Revolution: Sofort startende Computer werden statt langsamen Datenträgern und sogar NAND/ NOR-Flash nicht-flüchtiges Memristor- RAM verwenden. Es handelt sich um energieeffiziente und winzige Speicherchips mit einer Speicherdichte von 20 GB pro Quadratzentimeter – rund doppelt so viel wie aktueller NAND-Flash. Der Memristor eignet sich mit diesen Eigenschaften als leistungsfähigerer Nachfolger für Flash-Speicherbausteine, die damit nahezu sofort auf dem Abstellgleis landen würden.

HP, ein Konzern, der viel Zeit und Ressourcen in die Entwicklung von Memristoren investiert, ist sogar so optimistisch, die neuen Chips als Ersatz für gebräuchliches SRAM und DRAM zu sehen. Die Zugriffszeiten für Memristor-Chips liegen derzeit noch bei rund 90 Nanosekunden, das entspricht DRAM-Geschwindigkeiten vor 15 Jahren. Aktuelle RAM-Bausteine sind fast zehnmal schneller. Allerdings liefern Prozessoren immer größere integrierte Caches, die schon einen Großteil der kurzfristigen Speicherzugriffe abfangen. Zusammen mit hohen Bandbreiten wären mit Memristoren Computer und Kleingeräte möglich, die innerhalb eines Augenaufschlags aus einem stromlosen Ruhezustand erwachen oder nach einem Kaltstart den letzten Zustand des Systems wiederherstellen.

Den richtigen Arbeitsspeicher finden

Schema eines Memristors: in einer Titanoxid-Schicht (TiO2) verändert eine angelegte Gleichspannung permanent dessen elektrischen Widerstand durch die Wanderung von Sauerstoff-Atomen.
Vergrößern Schema eines Memristors: in einer Titanoxid-Schicht (TiO2) verändert eine angelegte Gleichspannung permanent dessen elektrischen Widerstand durch die Wanderung von Sauerstoff-Atomen.

Gefunden: Das vierte Element

Über Memristoren wurde seit den 70er-Jahren spekuliert. Leon Chua, Professor in Berkeley, beschrieb bereits die Funktionsweise, bevor das Bauelement überhaupt in der Realität angekommen war. Das war damals noch visionäres Gedankenspiel, welches Element elektronischen Schaltungen für deren Perfektionierung noch fehle.

Der Memristor ist das vierte fundamentale Element neben den bekannten Schaltkreis-Elementen Widerstand, Spule und Kondensator. Fundamental deshalb, weil die Eigenschaften des Memristors nicht durch die Kombination der anderen drei Elemente nachgebildet werden können.

Die Bedeutung des Memristors für die weitere Entwicklung der Elektronik ist der Entdeckung eines neuen chemischen Elements oder eines neuen Elementarteilchens in der Physik vergleichbar.

In der jetzigen Form sind Memristoren ebenfalls Halbleiter und bestehen in der von HP gezeigten Form aus einem Titanoxid- Film zwischen zwei Platinelektroden. Der Sauerstoffgehalt im Titanoxid verringert dessen Leitfähigkeit. Eine Schicht des Films ist mit Sauerstoff-Fehlstellen dotiert und hat damit einen geringeren elektrischen Widerstand. Wird nun eine Spannung angelegt, wandern die Sauerstoff-Fehlstellen (Löcher) in die Richtung des Plus-Pols und verändern mit ihrer neuen Verteilung permanent den Gesamtwiderstand.

Vorläufiges Schaltzeichen eines Memristors: Dieses Symbol steht für einen Memristor in elektrischen Schaltkreisen.
Vergrößern Vorläufiges Schaltzeichen eines Memristors: Dieses Symbol steht für einen Memristor in elektrischen Schaltkreisen.

Bei einer Umkehr der Polung ist der Effekt reversibel, und beim Anlegen von Wechselstrom lässt sich der Widerstand ohne Änderung einfach auslesen. Wie Flash-Speicher haben auch Memristoren keine unbegrenzte Beständigkeit (Write Endurance): MLCNAND- Speicher, der in den meisten SSDs und USB-Datenträgern zum Einsatz kommt, verträgt bis zu 10 000 Schreibzyklen. Memristoren sind deutlich beständiger – etwa um den Faktor hundert. Zudem handelt es sich um Bausteine, die logische Operation ausführen können. Zwei Memristoren auf einem Chip genügen, um alle booleschen Funktionen auszuführen.

Neuromorphisches Chipdesign: Lernfähige Halbleiter

Gesucht: Die optimale Vermarktungsstrategie

Auf dem Weg von der elektrotechnischen Theorie zur Halbleiterpraxis haben mehrere Firmen unabhängig voneinander ein Memristor- Konzept entwickelt. HP bekam die meiste Aufmerksamkeit, da der Konzern der erste war, der ein elektronisches Bauelement mit dem Namen „Memristor“ vorstellte und dabei auf die 42 Jahre alte theoretische Vorarbeit von Professor Leon Chua Bezug nahm. Aber auch Fujitsu-Siemens hat mit Resistive Random-Access Memory (ReRAM) in die gleiche Richtung geforscht, und IBM ist mit dem „Phasenübergangsspeicher“ im Rennen. HP kann zusammen mit dem Halbleiterhersteller SK Hynix laut eigener Aussage schon marktreife Chips mit enormer Speicherdichte fertigen. Deren Leistung soll 2014 jene von Flash-Speicherchips in Sachen Zugriffszeit und Schreibgeschwindigkeit überholen. Der Einsatz als Flash-Ersatz ist auch das naheliegende Anwendungsgebiet, denn hier ist Kompatibilität mit vorhandener Hardware kein Problem.

Bevor Memristor-Chips dagegen als nichtflüchtiges RAM taugen können, etwa als Cache für einen superschnellen Ruhezustand, müssen Hardware- und Software-Hersteller noch einige Hausaufgaben erledigen. Denn als „Drop-in Replacement“ für den nahtlosen Austausch von SDRAM eignen sich Memristor-Chips nicht. Chipsätze, Tablets, Smartphones und auch Betriebssysteme müssen die neuen Fähigkeiten des nicht-flüchtigen Speichers erst unterstützen. Die Memristor-Revolution dürfte sich deshalb noch verzögern, bis ein etablierter Hersteller wie Samsung, Apple oder Intel ein unwiderstehliches Gerät vorstellt, das die Vorzüge von Memristoren demonstriert.

Schaltkreis aus 17 Memristoren unter einem Rasterkraftmikroskop: Diese parallelen Bahnen sind jeweils 50 Nanometer breit und bestehen aus zwei Schichten Titaniumdioxid.
Vergrößern Schaltkreis aus 17 Memristoren unter einem Rasterkraftmikroskop: Diese parallelen Bahnen sind jeweils 50 Nanometer breit und bestehen aus zwei Schichten Titaniumdioxid.
© HP Lab

Die überstürzte Markteinführung wäre ohnehin für weite Teile der Halbleiterindustrie eine Bedrohung für das traditionelle Geschäft: Memristoren würden das Ende von Flash-Chips einleiten, so die Befürchtung, und damit eine Technologie obsolet machen, mit der sich noch viel Geld verdienen lässt. SK Hynix ist ein führender Hersteller konventioneller Speicherchips und will sich als Partner von HP mit Memristoren nicht das eigene Geschäft kannibalisieren.

Es werde jetzt schon mehr Geld in die Marktforschung zu Memristoren investiert als in deren eigentliche Entwicklung, so Stan Williams von HP Labs.

In die freie Wildbahn werden die neuen Speicherchips erst entlassen, wenn eine hochprofitable Vermarktungsstrategie steht. Das könnte, so SK Hynix, ab 2015 der Fall sein.

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