PCRAM - Phase Change RAM

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Beschreibung

PCRAM - Phase Change RAM / Phasenübergangsspeicher PCRAM beruht auf dem thermisch gesteuerten Wechsel (Phase Change) zwischen einem kristallinen und amorphen Zustand eines Materials. Die Widerstände zwischen dem amorphen und kristallinen Zustand unterscheiden sich voneinander und lassen sich für unterschiedliche Speicherzustände nutzen. Für Phasenübergangsspeicher gibt es verschiedene Bezeichnungen: PCRAM oder PRAM - Phase Change RAM PCM - Phase Change Memory OUM - Ovonic-Unified-Memory Egal wie der Speicher im Detail bezeichnet wird, grundsätzlich nutzt der Speicher immer Phasenübergänge, um Informationen zu speichern.

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Was lernen Sie in diesem Kurs?

Flash

Themenkreis

Eigenschaften von Phase-Change-Speicher
  • kleine Abmessung des Speicherelements (kleinere Chipgrößen)
  • schnelle Zugriffszeiten auf den Speicher (schnelle Lese- und Schreibgeschwindigkeit)
  • lange Lebensdauer
  • Integration in CMOS möglich
Phase-Change-Technik

Für die Phasenübergänge (amorph/kristallin) eignen sich einige Legierungen auf Basis der Gruppe-VI-Elemente (Chalkogenide). Chalkogenid-Legierungen verfügen über die Eigenschaft, sowohl in der amorphen wie auch in der kristallinen Phase bei Raumtemperatur stabil zu sein.
Chalkogenide sind zum Beispiel dreikomponentige Legierung aus Germanium, Antimon und Tellur. Dieses Material kann in verschiedenen Zuständen existieren. Und es hält doppelt so viele Speicherzyklen wie Flash-Speicher aus.

In den 1960/70 Jahren hat Stanford Ovshinsky solche Effekte bereits untersucht. Die Technik ist also nicht allzu neu. Heute vergibt die Firma Ovonyx, an der Intel beteiligt ist, Lizenzen für spezielle Germanium-Antimon-Tellur-Legierungen. GeSbTe-Legierungen gehen eine pseudobinäre Verbindung ein.
Die Phase-Change-Technik ist auch von den wiederbeschreibbaren CDs und DVDs bekannt. Mit dem Unterschied, dass dort der Unterschied der Reflektion zwischen amorphem und kristallinem Zustand gemessen wird. Bei PCRAM wird die Widerstandsänderung des Materials gemessen.

Der Widerstand zwischen hohem (amorphen Zustand) und niedrigem Widerstand (kristallinen Zustand) unterscheidet sich um den Faktor 40 bis 100. Auf diese Weise ist das Auslesen des gespeicherten Zustands durch eine Widerstandsmessung möglich. Denkbar wäre auch, mehr als ein Bit in der Widerstandsänderung in mehreren definierten Stufen abzubilden.

Der Zustand einer Speicherzelle wird durch das Anlegen einer Spannung verändert. Der Zustandswechsel erfolgt schneller als beim Flash-Speicher und es reicht dafür eine Spannung von einem Volt aus. Als Speicherelemente kommen Dioden, und nicht wie sonst üblich Transistoren, zum Einsatz. Das spart Platz.
Beim Schreiben wird die speichernde Schicht kurzzeitig über den Schmelzpunkt in den amorphen Zustand (ungeordneter Zusand mit hohem Widerstand) oder durch langsames Erhitzen bis unterhalb des Schmelzpunktes in den polykristallinen Zustand (geordneter Zustand mit niedrigem Widerstand) gebracht. Die Schaltzeit in den amorphen Zustand beträgt unter 100 ns.

Die Adressierung einzelner Zellen erfolgt über zeilen- und spaltenweise angeordnete Leiterbahnen. Geschickterweise lässt sich der Speicher mit einer Dünnfilmtechnik herstellen. Das hat Potenzial für System-on-a-Chip-Lösungen.

Zukunft

Phase Change Memory (PCM) hat als einzige der alternativen nichtflüchtigen Speichertechniken das Potenzial, einen breiteren Markt zu erreichen. PCM verhält sich nach außen hin wie ein NOR-Flash-Speicher, der in Smartphones weit verbreitet ist. Phasenwechselspeicher ist als Serienprodukt schon einige Jahre verfügbar, allerdings nur mit geringen Kapazitäten.
Es wird allerdings noch geforscht. Beispielsweise vom NAND-Flash-Markführer Samsung und vom NOR-Flash-Marktführer Numonyx (Intel-STMicroelectronics).

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