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Gedächtniszellen für künftige Computerhirne

Sie sind Top-Kandidaten, um Computer und Smartphones leistungsfähiger und vor allem stromsparender zu machen: resistive Speicherzellen. Neue Erkenntnisse von Jülicher Forschern können helfen, diese nanoelektronischen Bauteile in den nächsten Jahren als Datenspeicher zu etablieren. Später einmal werden die Bauteile womöglich als künstliche Synapsen nach dem Vorbild biologischer Nervenzellen dienen.

Der erste Supercomputer des Forschungszentrums in den 1980er Jahren hatte 16 Megabyte an Speicher. Ein USB-Stick heute hat ein Vielfaches davon – und passt in jede Hosentasche. Man hat sich daran gewöhnt, dass immer mehr Information auf immer weniger Raum untergebracht werden kann. Doch selbstverständlich ist das nicht, denn die weitere sogenannte Miniaturisierung der gängigen Datenspeicher stößt irgendwann an naturgegebene Grenzen. Und bisher erfüllt kein Datenspeicher alle Wünsche zugleich: Er soll sowohl so schnell wie möglich als auch energiesparend arbeiten, dabei Daten dauerhaft archivieren und dazu noch preiswert sein. Die Informationen im DRAM-Modul des Arbeitsspeichers eines PCs etwa verflüchtigen sich, wenn der Strom abgeschaltet ist. Das ist bei Festplatten und FLASH-Speichern zwar anders, doch sind sie dafür vergleichsweise langsam.

ReRAM: Neue Art von Datenspeichern

Aus diesen Gründen arbeiten Forscher aus Wissenschaft und Industrie an neuen Arten von Datenspeichern, wie etwa ReRAM-Speicher (ReRAM = Resistance Random Access Memory), die weltweit intensiv erforscht werden.

"Prinzipiell sollten ReRAMs in der Lage sein, Daten auf noch engerem Raum zu speichern als beispielsweise FLASH-Speicher und auch mit deutlich weniger Strom auszukommen", sagt Prof. Rainer Waser, Direktor am Peter Grünberg Institut des Forschungszentrums Jülich, der auch an der RWTH Aachen forscht und lehrt. Er und seine Mitarbeiter arbeiten eng mit Unternehmen wie Intel und Samsung Electronics zusammen und gelten als führend auf dem Forschungsgebiet der resistiven Schaltbauelemente. Resistive Zellen speichern die beiden Grundelemente aller Computersprachen, die Null oder die Eins, auf eine grundsätzlich andere Weise als etwa eine Festplatte oder ein FLASH-Speicher. Bei der Festplatte befindet sich die Information auf der magnetischen Schicht einer rotierenden Scheibe, während FLASH-Speicher die Bits in Form von elektrischen Ladungen auf einem besonderen Transistor festhalten. Eine resistive Zelle dagegen merkt sich ein Bit mit Hilfe ihres elektrischen Widerstandes, der zwischen hohen und niedrigen Werten schaltbar ist –und behält ihren Zustand selbst dann, wenn keine äußere Spannung mehr anliegt.

Schaltprozesse mit Hilfe von Ionen

Resistive Zellen, wie sie derzeit in den Laboren weltweit hergestellt und erkundet werden, haben eine Kantenlänge unter 30 Nanometern, also einem dreißigtausendstel Millimeter und kleiner. In einer verbreiteten Bauform bestehen sie aus drei dünnen Materialschichten mit unterschiedlicher Funktion. Das Material in der Mitte, der Elektrolyt, liegt dabei wie der Belag zwischen zwei Sandwich-Hälften, von denen die eine Hälfte aus einer aktiven Metallelektrode besteht, zum Beispiel aus Kupfer, und die andere aus einer chemisch inaktiven Gegenelektrode wie Platin.

Legt man eine Spannung an, lösen sich positiv geladene Kupfer-Ionen aus der aktiven Elektrode und wandern zur Gegenelektrode. Dort wandeln sich die Ionen durch Elektronenaufnahme wieder in elementare Kupfer-Atome um. Die Atome bilden so etwas wie einen feinen Pfad durch den Elektrolyten – Fachleute sprechen von einem Filament. Hat sich auf diese Weise ein elektrisch leitender Kontakt zwischen den beiden Elektroden ausgebildet, ist der Widerstand der gesamten Zelle gering und sie befindet sich im "ON-Zustand", entsprechend der Eins in der Computersprache. In diesem Zustand bleibt die Zelle so lange, bis eine ausreichende Spannung umgekehrter Polarität angelegt wird: Das Filament löst sich auf, der Widerstand der Zelle steigt auf einen hohen Wert: Die Zelle befindet sich nun im OFF- oder Null-Zustand.

Für den Auf- und Abbau des Filamentes, die Schaltprozesse und somit die Informationsspeicherung sind hauptsächlich Ionen verantwortlich - ein wesentlicher Vorteil gegenüber FLASH-Datenspeichern, bei denen Elektronen eingelagert werden. Denn Ionen zeichnen sich dadurch aus, dass sie im Vergleich zu Elektronen besser handhabbar und damit zur zuverlässigen Informationsspeicherung prinzipiell besser geeignet sind.

Bislang wurden resistive Speicherzellen mit Hilfe der Theorie der "Memristoren" beschrieben – ein Kunstwort, zusammengesetzt aus den zwei englischen Begriffen "Memory" (Speicher) und "resistor" (Widerstand). Demnach wären resistive Speicherzellen wie Kondensatoren, Spulen und Widerstände passive Bauelemente, die ein Signal nicht verstärken können und keine Steuerungsfunktion haben. Ein wichtiges Kennzeichen solcher passiven Bauelemente ist, dass ohne angelegte Spannung kein Strom hindurchfließt. Und dass umgekehrt keine Spannung zu messen ist, wenn kein Strom fließt.

Winzige Batterien

Jülicher Forscher konnten jedoch theoretisch herleiten, dass dies bei resistiven Zellen von Natur aus anders sein muss. Die Zellen erzeugen wie eine winzig kleine Batterie eine Spannung. Diese Erkenntnis möchten Jülicher Forscher nutzen, um das Auslesen der Informationen von ReRAMs zu verbessern. Bislang ging die Fachwelt davon aus, dass Strom benötigt wird, um festzustellen, ob sich resistive Zellen im ON- oder OFF-Zustand befinden. Dieser Strom könnte aber den Zustand empfindlicher Zellen verändern. Die Batteriespannung lässt sich dagegen auch stromlos und somit zerstörungsfrei messen. Entsprechende Methoden haben die Wissenschaftler bereits zum Patent angemeldet. "Darüber hinaus muss das Auftreten einer Batteriespannung beispielsweise auch bei der Verschaltung der resistiven Zellen oder bei der Entwicklung zuverlässiger ReRAMs berücksichtigt werden", sagt Dr. Ilia Valov, Elektrochemiker in Wasers Forschergruppe.

Integration von ReRAMs in bestehende Halbleitertechnik

Andere Wissenschaftler der Jülich Aachen Research Alliance um Rainer Waser bauen bereits resistive Speicher zu größeren Einheiten zusammen oder simulieren am Rechner die Integration von ReRAMs in die bestehende Halbleitertechnik. Das Unternehmen Panasonic baut sogar bereits seit einiger Zeit serienmäßig ReRAMs in Mikrocontroller ein. Doch wie Valov ist auch seine Kollegin Prof. Regina Dittmann überzeugt, dass weiterhin grundlegende Untersuchungen an resistiven Zellen nötig sind, um etwa die Langlebigkeit und die Schaltgeschwindigkeit von ReRAMs zu verbessern. "Immer wieder stößt die Industrie in dieser Hinsicht an Grenzen, die nur durch ein noch tieferes Verständnis der elementaren Vorgänge zu überwinden sind", sagt Dittmann.

Für die grundlegenden experimentellen Untersuchungen steht den Wissenschaftlern unter anderem ein neues Labor im Jülicher Peter Grünberg Institut zur Verfügung, der "Oxid-Cluster". Darin können Wissenschaftler Materialschichten und resistive Zellen herstellen und die Atome und Elektronen dann mit neuesten mikroskopischen und spektroskopischen Methoden beispielsweise bei Schaltvorgängen und somit gleichsam bei der Arbeit beobachten – ohne dass die Materialien dabei das Ultrahochvakuum verlassen. Das ist wichtig, weil der Kontakt mit der Luft die Abläufe an den Materialoberflächen beeinflussen würde.

Parallelen zu Synapsen im Gehirn

Resistive Speicherzellen können prinzipiell nicht nur zwischen zwei Widerstandswerten wechseln, sondern zwischen mehreren. Damit könnten sie nicht nur die Zustände Null und Eins, sondern auch Zwischenzustände einnehmen. Dies ist eine gute Voraussetzung, um lernfähige Computersysteme nach dem Vorbild der Synapsen aufzubauen, den Kontaktstellen der Zellen im biologischen Nervensystem.

"Es gibt zudem einige Parallelen zwischen der Arbeitsweise der biologischen Synapsen und den resistiven Bauelementen", sagt Dr. Susanne Hoffmann-Eifert aus Wasers Forschergruppe. So beruht die Funktion von Synapsen genau wie die der resistiven Zellen auf der Bewegung von Ionen. Eine weitere Ähnlichkeit: Eine Verbindung zwischen menschlichen Nervenzellen ist umso stärker und effizienter, je häufiger und intensiver sie zuvor genutzt wurde. "Auch die leitfähigen Filamente in den resistiven Speicherzellen sind umso kräftiger, je mehr Strom zuvor hindurchgeleitet wurde", so Hoffmann-Eifert. Dieser Effekt könnte einmal helfen, Computer zu bauen, die selbständig von ihrer Programmierung abweichen können, wenn eine Verbindung unerwartet intensiv genutzt wird.

So funktioniert eine resistive Speicherzelle

Schematische Darstellung einer resistiven SpeicherzelleVon links: Im OFF-Zustand (1. Bild) hat die resistive Zelle einen hohen elektrischen Widerstand. Beim Anlegen einer Spannung (2. Bild) lösen sich positiv geladene Ionen (grau) aus der Kupfer-Elektrode und wandern zur Platin-Elektrode, wo sie durch Elektronenaufnahme wieder zu Atomen (grün) werden. Zwischen den beiden Elektroden entsteht ein elektrisch leiten des Filament (3. Bild). Somit hat die Zelle einen niedrigen Widerstand (ON-Zustand). Wird eine ausreichende Spannung umgekehrter Polarität angelegt (4. Bild), löst sich das Filament wieder auf.
Copyright: Forschungszentrum Jülich


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