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Memristive Speicherzellen

Neue Vorgänge in ReRAMs entschlüsselt

3. November 2015, 10:26 Uhr | von Dr. Ilia Valov

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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 sie nutzen, um das Auslesen der Informa-tionen 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.

Integration von ReRAMs in Halbleitertechnik

Andere Wissenschaftler der Jülich-Aachen-Research-Alliance 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.

Es sind jedoch weiterhin grundlegende Untersuchungen an resistiven Zellen nötig, 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.

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. 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. Dieser Effekt könnte einmal helfen, Computer zu bauen, die selbstständig von ihrer Programmierung abweichen können, wenn eine Verbindung unerwartet intensiv genutzt wird.