Ni-VolRAM: Effiziente Speicherzellen, inspiriert von Akku-Technik

Japanische Wissenschaftler haben eine Speichertechnik entwickelt, die vom Design her von Lithium-Ionen-Akkus inspiriert ist. Die Technik liefere Potenzial für Speicher, der schneller und effizienter als herkömmlicher DRAM arbeitet. Zudem könnten in einer Speicherzelle drei statt zwei Spannungszustände unterschieden werden.

Speicherzelle mit Akku-Technik

Wie so oft handelt es sich vorerst um eine Machbarkeitsstudie respektive ein Prinzip für neuartigen Speicher, den Forscher des Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) und der University of Tokyo (UTokyo) in ihrem Artikel Low-Energy-Consumption Three-Valued Memory Device Inspired by Solid-State Batteries beschreiben. Ziel der Forscher war es, eine Speicherzelle mit einfacher Struktur zu entwerfen, die insbesondere wenig Energie benötigt, aber auch in puncto Speicherdichte Vorteile gegenüber bisherigen Ansätzen bietet.

The proposed device, which has an extremely low energy consumption, may be key for the development of more energy-efficient and faster random-access memories (RAMs), which are ubiquitous in modern computers.

Tokyo Institute of Technology

Schon zuvor hatte ein Team um Professor Taro Hitosugi und Student Yuki Watanabe ein neuartiges „memory device“ entwickelt, das vom Design her von Lithium-Ionen-Festkörperakkumulatoren inspiriert ist. Die Wissenschaftler sprechen dabei auch von Voltage Switching Random Access Memory oder abgekürzt VolRAM. In drei Schichten wurden Lithium, Lithium-Phosphat und Gold verwendet, die im Zusammenspiel im Prinzip einem Mini-Akku entsprechen, der aber als Speicherzelle für Daten fungiert, indem der geladene Zustand und der nicht geladene Zustand die für die Darstellung eines Bit an Information zwei nötigen Werte bilden.

Mehr Effizienz mit Nickel statt Gold

In einer neuen Studie wurde in der dreilagigen Speicherzelle Gold (Au-VolRAM) durch Nickel (Ni-VolRAM) ersetzt, da dieses nicht so leicht Legierungen mit Lithium eingehe, was wiederum die Leistungsaufnahme beim Umschalten zwischen den Zuständen negativ beeinflusse. Der Wechsel zu Nickel erwies sich als Erfolg, denn die Energieeffizienz der Speicherzelle wurde gesteigert, wobei sich eine dünne Schicht Nickeloxid, die sich zwischen den Lagen aus Nickel und Lithium-Phosphat bildete, als „essenziell“ für die geringe Umschaltenergie erwies, da diese Schicht erheblich dünner als die vorherige Gold-Lithium-Legierung ausfalle. Folglich würden „winzige Ströme“ ausreichen, um den Zustand der Zelle zu verändern.

Die dadurch potenziell „extrem geringe Leistungsaufnahme“ sei der wesentliche Vorteil der Speicherzelle, erklärte Professor Hitosugi. In dem Bericht der Forscher heißt es konkret, dass für das Umschalten fast nur ein Fünfzigstel der Energie im Vergleich zu typischem DRAM nötig wäre.

Speicherzellen mit drei statt zwei Spannungszuständen

Der Materialwechsel hatte einen weiteren positiven Nebeneffekt: Die Speicherzelle konnte nun drei statt zwei verschiedene Spannungszustände halten; daher ist von einem „three-valued memory device“ die Rede. Im gängigen Binärsystem würde dies allerdings nicht aufgehen, denn für ein Bit werden zwei Zustände, für zwei Bit vier Zustände, für drei Bit acht Zustände und so weiter benötigt. Drei Zustände würden hingegen dem Ternärsystem entsprechen, das im Computerbereich aber bisher praktisch keine Rolle spielt, obgleich es immer wieder Forschungsansätze gab. Für Speicherzellen mit mehr als zwei Zuständen, die auch als „Multiple-Valued Memory“ bezeichnet werden, gab es schon verschiedene technische Ansätze.

Die Zukunft wird zeigen, ob die Erkenntnisse der japanischen Forscher irgendwann in dieser oder ähnlicher Form ihren Weg in Speicherprodukte finden wird. Zumindest für das Tokyo Institute of Technology handelt es sich bei der entwickelten Speicherzelle um ein „vielversprechendes Sprungbrett für ein wesentlich energieeffizienteres und schnelleres Rechnen“.

Increased speed, lower energy consumption, and smaller size are all highly demanded features in future memory devices. The memory cell developed by this research team is a very promising stepping stone toward much more energy-efficient and faster computing.

Tokyo Institute of Technology