Ein koreanisches Forscherteam der KAIST hat einen neuen Speicherbaustein entwickelt, der aufgrund seiner geringen Verarbeitungskosten und seines extrem niedrigen Stromverbrauchs als Ersatz für bestehende Speicher oder für die Implementierung von neuromorphem Computing für die nächste Generation von Hardware für künstliche Intelligenz verwendet werden kann.
Probleme alter Speicher wurden behoben
Das Forschungsteam von Professor Shinhyun Choi an der KAIST School of Electrical Engineering hat das Phasenwechselspeichergerät der nächsten Generation mit extrem niedrigem Stromverbrauch entwickelt. Der Phasenwechselspeicher ist ein Speicherbaustein, der Informationen speichert und/oder verarbeitet, indem er den kristallinen Zustand von Materialien durch Wärmezufuhr in einen amorphen oder kristallinen Zustand umwandelt, wodurch sich sein Widerstandszustand ändert.
Bestehende Phasenwechsel-Speicher haben Probleme wie zum Beispiel teure Herstellungsverfahren für hochskalierte Geräte und einen hohen Energiebedarf für den Betrieb. Um diese Probleme zu lösen, entwickelte das Forschungsteam von Professor Choi einen Phasenwechsel-Speicher mit extrem niedrigem Stromverbrauch, indem es ein sehr kleines, im Nanometerbereich liegendes, phasenwechselfähiges Filament ohne teure Herstellungsprozesse elektrisch formte.
Diese neue Entwicklung hat den bahnbrechenden Vorteil, dass sie nicht nur sehr niedrige Verarbeitungskosten hat, sondern auch den Betrieb mit extrem niedrigem Stromverbrauch ermöglicht. DRAM, einer der am häufigsten verwendeten Speicher, ist sehr schnell, hat aber flüchtige Eigenschaften, das heißt die Daten verschwinden, wenn der Strom abgeschaltet wird.
Hohe Geschwindigkeit und nichtflüchtige Eigenschaften
Der NAND-Flash-Speicher, ein Speichergerät, hat relativ langsame Lese-/Schreibgeschwindigkeiten, verfügt aber über nichtflüchtige Eigenschaften, die es ihm ermöglichen, die Daten auch bei einer Stromunterbrechung zu erhalten. Der Phasenwechsel-Speicher hingegen kombiniert die Vorteile von DRAM und NAND-Flash-Speicher und bietet hohe Geschwindigkeit und nichtflüchtige Eigenschaften.
Aus diesem Grund wird der Phasenwechselspeicher als Speicher der nächsten Generation hervorgehoben, der den bestehenden Speicher ersetzen kann, und wird aktiv als Speichertechnologie oder neuromorphe Computertechnologie erforscht, die das menschliche Gehirn nachahmt. Herkömmliche Phasenwechselspeicher benötigen jedoch eine beträchtliche Menge an Energie für ihren Betrieb, was die Herstellung praktischer Speicherprodukte mit großer Kapazität oder die Realisierung eines neuromorphen Computersystems erschwert.
Um den thermischen Wirkungsgrad von Speicherbausteinen zu maximieren, konzentrierten sich frühere Forschungsbemühungen auf die Verringerung des Stromverbrauchs durch Verkleinerung der physischen Größe des Bausteins mit Hilfe modernster Lithografietechnologien, doch stießen sie in der Praxis auf Grenzen, da der Grad der Verbesserung des Stromverbrauchs minimal war, während die Kosten und die Schwierigkeit der Herstellung mit jeder Verbesserung stiegen.
Eine Methode zur elektrischen Formung von Phasenwechselmaterialien
Um das Problem des Stromverbrauchs von Phasenwechselspeichern zu lösen, entwickelte das Forschungsteam von Professor Shinhyun Choi eine Methode zur elektrischen Formung von Phasenwechselmaterialien auf extrem kleinem Raum und realisierte so erfolgreich einen Phasenwechselspeicher mit extrem niedrigem Stromverbrauch, der 15 Mal weniger Strom verbraucht als ein herkömmlicher Phasenwechselspeicher, der mit einem teuren Lithographie-Werkzeug hergestellt wird.
Professor Shinhyun Choi zeigte sich sehr zuversichtlich, dass sich diese Forschung in Zukunft auf dem neuen Forschungsgebiet ausbreiten wird: „Der von uns entwickelte Phasenwechsel-Speicher ist von großer Bedeutung, da er einen neuartigen Ansatz zur Lösung der anhaltenden Probleme bei der Herstellung eines Speichers mit erheblich verbesserten Herstellungskosten und Energieeffizienz bietet.“
Weiter führt Professor Choi aus: „Wir gehen davon aus, dass die Ergebnisse unserer Studie die Grundlage für die künftige Elektronikentwicklung bilden und verschiedene Anwendungen wie dreidimensionale Vertikalspeicher mit hoher Dichte und neuromorphe Computersysteme ermöglichen werden, da sie die Möglichkeit eröffnen, aus einer Vielzahl von Materialien zu wählen.“
