Universeller Speicher Neuer superschneller PoX Flash-Speicher könnte DRAM und SSDs ersetzen

Forscher der Fudan-Universität in Shanghai haben einen neuen Geschwindigkeits-Weltrekord für Flash-Speicher aufgestellt. Der von ihnen in 10-jähriger Arbeit entwickelte "PoX" (Phase‑change Oxide) Chip schreibt einzelne Bits in nur 400 Pikosekunden, was 25 Milliarden Schreibvorgängen pro Sekunde entspricht und den bisherigen Rekord von 2 Millionen um mehr als das Tausendfache übertrifft.

Das ist sogar schneller als aktuelle DDR4-Speicher, der mit Schreibvorgängen um die 15 Nanosekunden deutlich langsamer ist und zudem - wie alle herkömmlichen DRAM- und SRAM‑Speicherzellen - ohne Strom alle Daten verliert. Klassische Flash‑Bausteine dagegen, die in SSDs oder USB-Sticks genutzt werden, vergessen ihren Speicherinhalt auch ohne Strom nicht, weisen allerdings vielfach höhere Schreibzeiten im Mikro‑ bis Millisekundenbereich auf, d.h. sie sind 1.000 bis 10.000-fach langsamer als DRAM.

Die neue PoX-Technik ist deswegen extrem interessant, kombiniert sich doch die sonst für flüchtige Speicher typische hohe Geschwindigkeit mit der Persistenz klassischer Flash‑Bausteine. Sie ist dadurch zum Beispiel ideal für Anwendungen im Bereich KI, bei denen viele Datenbewegungen zwischen den verschiedenen Speichertypen notwendig sind. Ein weiterer Vorteil der neuen Technik: PoX Speicherbausteine sollen sehr viel weniger Energie verbrauchen als die aktuellen Lösungen, was Probleme durch Überhitzung minimieren würde.

Verheißungsvoll ist auch die Tatsache, dass das neue Graphen-Flash über 5,5 × 10^6 Schreib-Lösch-Zyklen ohne Ausfall durchhalten soll, was über fünf Millionen Programmierzyklen pro Zelle entspricht und somit deutlich mehr als gängige Flash-Speicher heute. So könnte PoX auch bei intensiver Nutzung (z. B. als Arbeitsspeicher mit häufigen Schreibzugriffen) zuverlässig bleiben, was herkömmliches Flash verschleißen würde.

Neue Technologie

Ermöglicht wird der Sprung in der Geschwindigkeit durch einen radikalen Materialwechsel: statt Silizium verwenden die Forscher zweidimensionales Dirac‑Graphen und verkürzen die Gaußsche Länge des Speicherkanals, die bestimmt, wie weit Ladungen im Kanal verteilt sind (kürzere Gauß-Länge ermöglichen schnellere Speicheroperationen). So werden die Ladungsträger besonders effizient und schnell in den Speicher injiziert und es entsteht ein 2D‑Super‑Injection‑Effekt. Dadurch strömen Ladungsträger nahezu unbegrenzt schnell in die Speicherschicht.

Zuerst wurde der Funktionsnachweis mittels eines Prototypen erbracht, dann wurde das finale Chip‑Design mit einer Kapazität von mehreren Kilobyte erfolgreich getestet. Laut dem Projektleiter Prof. Zhou wurden KI‑Algorithmen genutzt, um die Prozessparameter zu optimieren, welche dann den Durchbruch erst ermöglichten.

Der universelle Speicher der Zukunft?

Sollten die weiteren Zuverlässigkeitstests erfolgreich verlaufen, könnte PoX mittel- bis langfristig der universelle Speicher der Zukunft werden und die aktuell noch notwendige Zusammenarbeit von schnellem, aber flüchtigem DRAM/SRAM und langsamem, aber persistenten Flash überflüssig machen. Der neue Speicher würde zum Beispiel auch Smartphones oder Laptops ermöglichen, länger mit einer Akkuladung auszukommen oder Geräte sofort einsatzbereit („instant-on“) zu machen, da beim Einschalten keine Daten aus einem langsamen Massenspeicher nachgeladen werden müssen.

Wie immer bei Durchbrüchen in der Forschung benötigt allerdings die Umsetzung in eine nutzbare Technologie samt Massenproduktion noch einiges an Zeit: das Forscher-Team will in den nächsten 3-5 Jahren Speicherbausteine mit einer Kapazität im Megabyte-Bereich entwickeln. Um konkurrenzfähig zu den heutigen Speichertechnologien zu sein, müsste PoX dann allerdings noch weiter in den Gigabyte-Bereich hochskaliert werden, was nochmals dauern dürfte. Zudem hängt der tatsächliche Einsatz in Zukunft natürlich davon ab, wie teuer die Produktion des neuen Speichers sein wird.