Einmal gespeicherte Daten werden am besten aufbewahrt, ohne dass ständig Energie zugeführt werden muss. Das Einspeichern und Auslesen sollte ebenfalls wenig Energie verbrauchen. Und die Prozesse sollen so schnell wie möglich funktionieren. All diese Anforderungen erfüllt ein neues Verfahren von Forschern des Fraunhofer-Instituts für Photonische Mikrosysteme (IPMS).
Gemeinsam mit dem US-Halbleiterhersteller Globalfoundries, der auch in Dresden eine Fertigungsanlage für Halbleiter-Bauelemente betreibt, haben die Forscher IPMS für diese Speicher eine Produktionstechnik entwickelt. Grosse Speicher basieren auf Magnetismus. Winzige Punkte auf einem Material werden magnetisiert beziehungsweise entmagnetisiert, um die digitalen Einheiten "Eins" und "Null" zu speichern.
Dazu ist bisher verhältnismässig viel Energie nötig - ein Grund dafür, dass Rechenzentren zu den grössten Stromverbrauchern geworden sind. Die Dresdner Experten setzen dagegen auf ein ferroelektrisches Material, auf Hafniumoxid. Ferroelektrische Materialien haben ein elektrisches Dipolmoment, dessen Richtung sich durch das Anlegen eines äusseren elektrischen Feldes verändern lässt.
"Bei der ferroelektrischen Speichertechnologie werden Ionen sehr schnell in einem Kristallgitter verschoben, was zu einer veränderten Polarisation führt", so Konrad Seidel, Leiter des Geschäftsfelds Emerging Memory Solutions am IPMS. Der grosse Vorteil dieser Methode: Die Information bleibt auch ohne Strom erhalten und kann beliebig oft ausgelesen werden, ohne dabei verloren zu gehen. Speicher dieser Art werden als "Ferroelectric Random Access Memory" ("FRAM") bezeichnet.
FRAM-Speicherzellen arbeiten mit Betriebsspannungen von weniger als einem Volt, schalten in wenigen Nanosekunden und weisen eine hohe Zyklenfestigkeit auf. Sie überstehen demzufolge zuverlässig viele Schreib- und Löschvorgänge. Dieser Speicher ist vor allem für Anwendungen relevant, bei denen Energieeffizienz entscheidend ist, etwa bei autonomen Sensoren, batteriebetriebenen Systemen oder Künstlicher Intelligenz direkt im Gerät.
"Der Stromverbrauch ist mit unserer nichtflüchtigen Speichertechnologie viel geringer als bei bestehenden Lösungen. Das macht es möglich, Künstliche Intelligenz nicht nur in Rechenzentren, sondern direkt in Geräten für Endverbraucher zu nutzen", sagt Maximilian Lederer, Spezialist für Nanoelektronik am IPMS. Ideal seien diese Speicher auch für autonome Fahrzeuge, vor allem für elektrisch betriebene.
