Datenspeicher Was auf die Flash-Speicher folgt

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Schon bald dürften die herkömmlichen Festplatten und Flash-Speicher von schnelleren Medien überholt werden. Die Nanotechnik macht’s möglich. Das Versprechen der Forscher und Firmen: mehr Speicherkapazität und weniger Akkuverbrauch.

Im geöffneten USB-Stick sitzt der Flash-Speicher links. Foto: Archiv
Im geöffneten USB-Stick sitzt der Flash-Speicher links. Foto: Archiv

Stuttgart - Als die Meldung im April 1998 durch die Presse lief, hielten es viele für einen Aprilscherz: Physiker der Uni Mannheim hatten es geschafft, Daten auf Tesafilm zu speichern. Bis zu zehn Gigabyte sollten auf eine Rolle des Klebestreifens passen. Damals wurde die „Tesa-ROM“ als Wachablöser der herkömmlichen magnetischen Festplatte gehandelt. Doch wie es auf dem Markt der Speichertechniken eben läuft, überholten andere Medien wie die DVD den Klebestreifen, weil sie effizienter, einfacher zu handhaben und ähnlich günstig zu produzieren waren.

Auch heute ist die Rede von revolutionären Speichertechniken der Zukunft, welche die Datenflut des digitalen Zeitalters bewältigen sollen. Dabei geht es um winzige magnetische Wirbel, einzelne Eisenatome als Informationsträger oder Speichermedien, die ähnlich arbeiten wie Synapsen im menschlichen Gehirn. Technik, die noch in den Kinderschuhen steckt und gerade erforscht wird. Wann sie in die Entwicklung und schließlich zur Marktreife kommt, ist noch nicht abzusehen.

Folgende drei Speichertechniken aber werden bereits hergestellt und sind teilweise schon auf dem Markt erhältlich. Es hat nur noch kaum jemand gemerkt.

1. Phasenwechsel-Speicher

Eine ernst zu nehmende Alternative zur derzeit dominierenden Flash-Technik stellen Phase-Change-Memory-Chips (PCM-Chips) dar. Mit den aktuell verwendeten schnellen Halbleiterspeichern erwirtschaftete die Branche im vergangenen Jahr weltweit einen Umsatz von 30 Milliarden US-Dollar. Experten gehen davon aus, dass die Trendwende zum Phasenwechsel-Speicher im Jahr 2016 eingeläutet wird. Laut Kurt Gerecke, Speicherexperte bei IBM, sind bereits heute in 80 Prozent der neuen Smartphones PCM-Speicher verbaut.

Doch wie funktioniert die Technik der PCMs? Sie basiert auf bestimmten chemischen Verbindungen, die mit ihrer Struktur ihre elektrische Leitfähigkeit verändern können. Diese sogenannten Chalkogenide, kombiniert mit Stoffen wie Germanium, Antimon oder Tellur, befinden sich zwischen einer oberen und einer unteren metallischen Elektrode. Durch einen starken Stromimpuls von mehreren hundert Mikroampere wird das Phasenwechselmaterial aufgeheizt und damit die Ordnung der Moleküle darin durcheinandergebracht. Anschließend hat es einen höheren elektrischen Widerstand. Dieser Zustand steht für die binäre Null. Wird das Material wieder erhitzt, kehrt es in seinen kristallinen Ausgangszustand mit niedrigem Widerstand zurück – die binäre Eins.

Die PCMs bieten gegenüber Flash viele Vorteile: Sie sind günstiger zu produzieren, können auf der gleichen Fläche bis zu fünfmal mehr Daten speichern und mehr als zehn Millionen Mal beschrieben werden. Die Garantie herkömmlicher Flash-Speicher, beispielsweise im USB-Stick, erlischt nach 1000 Schreibvorgängen.

2. Magnetoresistives RAM

Eine weitere Technik steht bereits in den Startlöchern, jedoch ist noch unklar, wann sie sich auf dem Markt etablieren wird. IBM-Experte Gerecke geht vom Jahr 2017 aus. Das Spin-Torque-Transfer RAM, kurz STT-RAM, das auf Deutsch auch magnetoresistives RAM genannt wird, nutzt einen quantenmechanischen Effekt, der auch bei herkömmlichen Festplatten angewendet wird. STT-RAMs bestehen aus 50 mal 50 Nanometer (Millionstelmillimeter) kleinen magnetischen „Sandwiches“ aus drei Lagen: oben und unten magnetisch, dazwischen eine Millionstelmillimeter dünne nichtmagnetische Schicht, die von Elektronen passiert werden kann. Je nachdem, ob die beiden magnetischen Schichten gleich oder unterschiedlich magnetisiert sind, können die Elektronen sie ungehindert oder nur stark abgelenkt passieren. Das wiederum bewirkt einen unterschiedlichen elektrischen Widerstand – der Unterschied zwischen der Eins und der Null in der binären Logik.

STT-RAMs punkten mit hoher Schreib- und Lesegeschwindigkeit, brauchen wenig Energie und können mit geringer Modifikation auf denselben Fertigungsstraßen hergestellt werden wie gängige Mikroprozessoren. Allerdings sind die Herstellungskosten noch zu hoch und die Chips noch zu groß, um wirklich konkurrenzfähig zu sein. Daher wird diese robuste Technik bisher auch nur in der Raumfahrt verwendet. Für Kurt Gerecke ist daher gut möglich, dass das STT-RAM von einer anderen Speichertechnik überholt wird.

3. Racetrack Memory

„Racetrack hat das Zeug dazu, das ultimative Speichermedium der Zukunft zu werden“, sagt Kurt Gerecke. Einen ersten Prototypen hat der frühere IBM-Entwickler Stuart Parkin diesen März vorgestellt. Parkin ist heute Direktor am Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle (Saale). Gerecke schätzt, dass die Serienreife im Jahr 2020 erreicht wird. Gegenüber Flash kann ein Racetrack-Speicher das Hundertfache an Daten auf derselben Fläche speichern und die Daten 100 000 Mal schneller lesen als heutige Festplatten.

Möglich wird das durch Drähte mit einem Durchmesser im Nanometerbereich, so dünn, dass sich etwa 180 000 Drähte auf der Breite eines Menschenhaares unterbringen ließen. Diese Drähte sind U-förmig um einen Siliziumchip gewickelt und besitzen einen am unteren Teil des U angebrachten Schreib- und Lesekopf (siehe Infografik). Die Informationen werden – wie bei Videokassetten und Tonbändern – in gegensätzlich magnetisierten Regionen, sogenannten Domänen abgelegt.

Stromimpulse bewegen die Domänen zum Lesekopf. So rasen die Daten mit bis zu 2000 Metern pro Sekunde durch den Leiter – daher der Name „Racetrack“. Zum Lesen werden die Daten wie bei einem Rechenschieber auf die andere, unbeschriebene Seite des Drahts geschoben. Außer Elektronen wird dabei nichts bewegt, sodass es auch fast keine Abnutzungserscheinungen gibt. In einem Papier der IBM-Forschungsabteilung wird Racetrack Memory als die Zukunft der Datenspeicherung gelobt. Die Technik habe das Potenzial, mobile Endgeräte mit Speichern auszustatten, die Platz für mehrere tausend Filme bieten, wochenlang mit einer Akkuladung laufen können und quasi unkaputtbar sind. Für Smartphone-Benutzer klingt das nach einem wahrgewordenen Traum.

Die Elektronik steht still, die Daten müssen rasen: das Prinzip des Racetrack-Speichers