PCRAM

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PCRAM (Phasenwechsel-RAM, PRAM, PCM)

PCRAM (Phasenwechsel Random Access Memory), auch PCM (Phase-Change-Memory) und OUM (Ovonic-Unified-Memory) genannt, ist eine Art von nicht-flüchtigem RAM. Die Daten bleiben also auch nach Abbruch der Stromzufuhr erhalten.

Der PCRAM speichert Daten, dadurch dass der Zustand eines Teils des Phasenwechselmaterials auf mikroskopischer Ebene verändert ist: Die Information wird durch den amorphen oder kristallisierten Zustand repräsentiert.

Beginnen wir mit einer Betrachtung der einzelnen Komponenten des Begriffs, denn sie geben uns bereits wertvolle Einblicke in die Charakteristika dieser Speichertechnologie.

Phase-Change (Phasenwechsel)
Grundsätzlich ist ein „Phasenwechsel“ eine Veränderung des physikalischen Zustands einer Substanz zwischen fest, flüssig und gasförmig. Diese Änderungen werden normalerweise durch Änderungen in Temperatur oder Druck hervorgerufen. Beim PCRAM bezieht sich das "Phase Change" auf die Fähigkeit des Materials, zwischen amorphem (ungeordnetem) und kristallinem (geordnetem) Zustand zu wechseln. Der Phasenwechsel wird durch elektrische Impulse hervorgerufen. Die so erreichten physikalischen Zustände repräsentieren dann unterschiedliche Speicherzustände (0 und 1).

Random Access
Wie jeder andere RAM ist der PCRAM ein Typ von Computerspeicher, der zufällige Datenzugriffe erlaubt. Im Gegensatz zu sequentiellen Speichersystemen wie Bandlaufwerken oder optischen Medien, wo der Zugriff auf Daten in einer bestimmten Reihenfolge erfolgen muss, kann bei RAM jede Speicherzelle direkt und in beliebiger Reihenfolge angesprochen werden, was den Datenzugriff beschleunigt. RAM wird in Computern als temporärer Speicher verwendet, um die aktuellen Arbeitsdaten des Systems zu speichern. Daten in RAM sind flüchtig, d.h., sie gehen verloren, wenn die Stromzufuhr unterbrochen wird.

Eigenschaften des PCRAM

Nichtflüchtigkeit
Wie bereits in der Einleitung erwähnt, handelt es sich beim PCRAM um eine nicht-flüchtige Speichertechnologie. Die Daten bleiben also auch nach Abschalten der Stromzufuhr erhalten.

Schneller Schreibzugriff
PCRAM bietet einen schnellen Schreibzugriff, ähnlich dem von DRAM und SRAM. Der Speicherzustand wird – wie bereits einleitend kurz erwähnt - durch die Veränderung des Phasenzustands eines speziellen Materials zwischen ungeordneter (amorpher) und geordneter (kristalliner) Form erreicht. Die Geschwindigkeit des Schreibvorgangs bei PCRAM wird letztlich durch die Geschwindigkeit bestimmt, mit der das Material zwischen diesen Phasen wechseln kann.
Da die Forschung auf diesem Gebiet weiterhin sehr aktiv ist, ist es gut möglich, dass in Zukunft andere Materialien entdeckt oder entwickelt werden, die noch bessere Eigenschaften für die PCRAM-Technologie aufweisen.

Hohe Speicherdichte
PCRAM kann eine höhere Speicherdichte als DRAM, SRAM und in vielen Fällen auch FRAM erreichen, was ihm in manchen Anwendungsfällen einen entscheidenden Vorteil gegenüber diesen Speichertechnologien verschafft.

Geringer Stromverbrauch
Im Vergleich zu DRAM und SRAM benötigt PCRAM weniger Strom, was ihn energieeffizienter macht.

Interessante Zusatzinformation
Der PCRAM besitzt das Potenzial, einen umfangreichen Marktanteil unter den nicht-flüchtigen Speichertechnologien zu gewinnen. Äußerlich funktioniert PCRAM ähnlich wie der weit verbreitete NOR-Flash-Speicher, der in Smartphones häufig anzutreffen ist. Doch, obwohl PCRAM schon seit einigen Jahren als Serienprodukt erhältlich ist, sind bisher nur Modelle mit relativ geringer Speicherkapazität verfügbar.

Allerdings wird auf diesem Gebiet weiterhin intensiv geforscht. Unter den Forschenden finden sich namhafte Unternehmen wie Samsung, der Marktführer im Bereich NAND-Flash.

Anwendungsbereiche für PCRAM

Ein kurzer Hinweis vorab: Ob sich der Einsatz von PCRAM für bestimmte Anwendungen empfiehlt, lässt sich nicht pauschal sagen und hängt immer von einer Vielzahl an applikationsspezifischen Faktoren ab. Mit den folgenden Informationen zur Eignung von PCRAM für verschiedene Anwendungsbereiche möchten wir daher keine Kaufempfehlungen aussprechen, sondern vielmehr die Eigenschaften der Speichertechnologie PCRAM in einen Kontext setzen.

Speicher in mobilen Geräten
PCRAM eignet sich grundlegend hervorragend für die Verwendung in mobilen Geräten wie Smartphones und Tablets. Aufgrund seiner Nichtflüchtigkeit, der hohen Speicherdichte und der schnellen Zugriffszeiten kann der PCRAM die Leistung dieser Geräte verbessern und gleichzeitig die Akkulaufzeit verlängern.

Speicher für künstliche Intelligenz (KI) und maschinelles Lernen (ML)
KI- und ML-Systeme erfordern oft eine große Menge an schnellem, nicht-flüchtigem Speicher. PCRAM stellt hier eine gute Wahl dar, da er eine hohe Speicherdichte und schnelle Schreib- und Lesezeiten bietet. Insbesondere könnten PCRAMs als Teil eines hierarchischen Speichersystems eingesetzt werden, in welchem sie eine Zwischenschicht zwischen dem schnellen, aber kleinen und teuren SRAM und dem großen, aber langsameren NAND-Flash darstellen.

Hierarchische Speichersysteme sind Systeme, die aus mehreren Ebenen oder Schichten von Speicher bestehen. Jede mit ihren eigenen spezifischen Eigenschaften und Kosten. Sie sind so gestaltet, dass sie einen Kompromiss zwischen Geschwindigkeit, Größe und Kosten bieten.
In einem solchen System wäre SRAM die oberste Schicht. SRAM ist extrem schnell, aber auch sehr teuer und hat eine geringe Speicherdichte, daher wird er nur für sehr kleine Mengen an Daten verwendet, die extrem schnell verfügbar sein müssen, wie zum Beispiel den Cache eines Prozessors. Am anderen Ende des Spektrums steht NAND-Flash. NAND-Flash hat eine hohe Speicherdichte und ist viel kostengünstiger als SRAM, aber auch viel langsamer. NAND-Flash wird normalerweise für Massenspeicher verwendet, wo große Mengen an Daten gespeichert werden müssen, und die Geschwindigkeit weniger wichtig ist. In diesem hierarchischen Speichermodell könnte PCRAM eine mittlere Schicht darstellen. PCRAM ist schneller als NAND-Flash und hat eine höhere Speicherdichte als SRAM, daher könnte er als eine Art "Zwischenspeicher" dienen. Er könnte Daten speichern, die häufiger zugegriffen werden als die im NAND-Flash, aber nicht so häufig, dass sie im SRAM gehalten werden müssen.

Durch die Verwendung von PCRAM in dieser Weise könnten Systeme in Zukunft die Vorteile von SRAMs Geschwindigkeit, NAND-Flashs Speicherdichte und PCRAMs Gleichgewicht zwischen beiden nutzen, um eine effiziente und kosteneffektive Speicherlösung zu schaffen.

Automotive und Industrieanwendungen
PCRAM könnte auch in Fahrzeugen und industriellen Systemen nützlich sein, insbesondere in Anwendungen, die eine robuste, zuverlässige und energieeffiziente Speicherlösung erfordern. Zum Beispiel könnten Fahrerassistenzsysteme (ADAS) oder autonome Fahrzeuge von der Nutzung von PCRAM profitieren, indem sie Daten schnell und zuverlässig speichern und abrufen, selbst bei extremen Bedingungen wie hohen oder niedrigen Temperaturen.

Die Funktionsweise des PCRAM

Der Aufbau des PCRAM ähnelt dem des DRAM. Im Wesentlichen besteht der PCRAM aus vielen Speicherzellen, welche man sich am besten in Zeilen und Spalten angeordnet vorstellt. Das speichernde Element beim PCRAM ist allerdings kein Kondensator (wie beim DRAM), sondern ein resistives Phasenwechsel-Element.

Sehen wir uns das Phasenwechsel-Element einmal genauer an:

Zwischen zwei metallischen Elektroden befindet sich das Phasenwechselmaterial. Bei Raumtemperatur ist das Material sowohl in der amorphen wie auch in der kristallinen Phase stabil. Durch die Heizelektrode wird ein kleiner Teil des Phasenwechselmaterials (eine Chalkogenid-Legierung) in einen der beiden Zustände gebracht. Wie auch beim MRAM wird die Information dann anhand der unterscheidbaren Widerstände im amorphen und kristallinen Zustand ausgelesen, indem man an der resistiven Elektrode eine Spannung anbringt.

Stellen Sie sich das ein bisschen so vor, wie wenn Sie einen Draht an eine Batterie anschließen: Der Draht wird heiß. Im PCRAM wird die Wärme dazu genutzt, das Material auf eine bestimmte Temperatur zu erhitzen.

Wenn das Material stark erhitzt wird, schmilzt es und wird amorph, also ungeordnet. Sobald es abkühlt und erstarrt, behält es diesen amorphen Zustand bei. Auf diese Weise stellen wir den Zustand dar, der der Zahl "0" entspricht.

Wenn wir das Material nur leicht erhitzen, wird es nicht komplett amorph, sondern bleibt teilweise geordnet, also kristallin. Sobald es abkühlt und erstarrt, behält es diesen kristallinen Zustand bei. Das repräsentiert den Zustand, der der Zahl "1" entspricht.

Auf diese Weise können wir mit verschiedenen Wärmemengen, die durch verschiedene Stärken von elektrischen Impulsen erzeugt werden, die verschiedenen Zustände des Materials erzeugen und damit Daten speichern. Und weil wir den Zustand jeder Speicherzelle unabhängig von den anderen ändern können, können wir sehr schnell und genau Daten schreiben und lesen.

Interessante Zusatzinfo
PCRAM sind schneller und haben eine höhere Lebensdauer als Flash Speicher. Zudem hat das Phasenwechselmaterial die Eigenschaft, sich in mehr als nur zwei unterscheidbaren Zwischenzuständen befinden zu können, sodass es das Potenzial hat mehrere Bits in einer einzelnen Zelle zu speichern. Noch wird dieses Potenzial allerdings nicht genutzt.

Auch aus diesen Gründen könnte die PCRAM-Technologie in Zukunft an Wichtigkeit gewinnen.

Quellen

Elektronik-Kompendium (PCRAM - https://www.elektronik-kompendium.de/sites/com/1401031.htm )
ITWissen (Phase-Change-RAM - https://www.itwissen.info/phase-change-RAM-PRAM.html )
Technopedia (Phase Change Memory - https://www.techopedia.com/definition/2797/phase-change-memory-pcm#:~:text=Phase%20change%20memory%20(PCM)%20is,faster%20than%20normal%20flash%20memory. )
Wikipedia DE (PCRAM - https://de.wikipedia.org/wiki/Phase-change_Random_Access_Memory )
Wikipedia EN (PCRAM - https://en.wikipedia.org/wiki/Phase-change_memory )