Phase Change Memory: IBM Research zeigt PCM mit drei Bit pro Zelle

Wissenschaftler von IBM Research nahe Zürich haben einen experimentellen Phasenwechselspeicher vorgestellt, der drei Datenbits pro Zelle sichern kann. Die gestiegene Kapazität soll den Weg für größere Datenspeicher bereiten, die als nicht flüchtige Speichermedien zwischen heutigem DRAM und NAND-Flash agieren. Das Einsatzgebiet reicht von der In-Memory-Datenbank bei Servern bis hin zum Smartphone, wo PCM den Flash-Speicher ersetzen könnte.

Der verwendete Test-Chip besteht aus zwei Blöcken mit je zwei Millionen Zellen, von denen jede drei Bit sichern kann, was rechnerisch 12 MBit ergibt. Das ist eine deutlich gestiegene Kapazität verglichen mit den 2-MBit-MLC-Prototypen, die IBM Research im Jahr 2011 präsentierte. Heutige DRAM-Chips erreichen 8 GBit, NAND-Flash bis zu 384 GBit. Gefertigt wurde der neue Test-Chip bei Globalfoundries, ehemals IBM Burlington, in einem 90-nm-Verfahren.

Phase Change Memory arbeiten mit einem amorphen und einem kristallinen Zustand, diese Phasen werden durch eine punktuelle Erhitzung per Stromimpuls einer Chalkogenid-Legierung erreicht. Durch Prüfen der Leitfähigkeit ergibt sich das Datenbit. Bei einer Triple-Level-Cell müssen allerdings acht statt vier (MLC) oder zwei (SLC) Widerstandswerte vorliegen, was das Verfahren ähnlich wie bei aktuellem NAND-Flash-Speicher deutlich aufwendiger macht.

IBM Research hat daher eine Technik entwickelt, welche dem sogenannten Drift entgegenwirkt, also der schleichenden Änderung der anliegenden Widerstände. Der Temperaturschwellwert für die amorphe und die kristalline Phase soll sich so trotz Schwankungen verfolgen lassen. Auf dem IEEE International Memory Workshop (PDF) demonstrierte IBM Research anhand von 64.000 Zellen des Prototyps, dass diese eine Million Schreibzyklen überstehen sollen.

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PCM im Vergleich mit DRAM und NAND-Flash (Bild: IBM Research)

Für den MLC-Prototyp gab IBM Research 10 Millionen Schreibzyklen an, aktueller NAND-Flash-Speicher wie Samsungs 256-GBit-TLC schafft laut Hersteller gerade mal 3.000 solcher P/E-Zyklen. Bei den Lese- und Schreiblatenzen reiht sich der PCM zwischen DRAM und Flash ein, die Geschwindigkeit pro einzelnem Chip liegt laut IBM Research derzeit noch zwischen den beiden etablierten Speichertechniken.

Grundlegend ähnlich ist der von Intel und Micron entwickelte 3D Xpoint, welcher ebenfalls auf Phase Change Memory basiert. Noch 2016 sollen erste DIMMs und PCIe-SSD damit erscheinen, die als Optane vermarktet werden.