Die Entwickler haben erstmals konkrete Angaben zur Verfügbarkeit gemacht: In drei Jahren soll das vierte fundamentale passive Bauelement der Elektrotechnik serienreif sein. ZDNet erklärt, wie sich dadurch die IT verändern könnte.
Moderne Computer sind trotz ihrer Leistungsfähigkeit nach Ansicht vieler Benutzer immer noch mit zahlreichen Problemen behaftet. Das fängt schon beim Einschalten an, das vielen zu lange dauert. Gute Smartphones und Tablets lösen einige dieser Probleme, etwa, indem sie auf Knopfdruck verfügbar sind. Allerdings bezahlen Anwender dafür mit anderen Einschränkungen und einem vergleichsweise hohen Preis. Schön wäre es daher, wenn die Stärken beider Produktkategorien zu geringen Kosten kombiniert werden könnten.
Eigentlich nichts anderes verspricht das Konzept des Memristors[1]. Das ist letzendlich ein nicht-flüchtiger Speicherbaustein, der Zustandsinformationen auch ohne anliegende Spannung bewahrt. Dass es Memristoren geben müsste, hat Leon Chua[2], Professor an der Berkeley[3]-Universität in Kalifornien, bereits in den 70er Jahren postuliert. Er legte in dem damals wenig beachteten und noch weniger verstandenen Papier "The Missing Memristor" dar, dass es neben Widerstand, Kondensator und Spule ein viertes fundamentales, passives Bauelement geben müsse. Darauf kam er, weil er festgestellt hatte, dass die von Gustav Robert Kirchhoff[4] schon im 19. Jahrhundert formulierten Kirchhoffschen Regeln[5] bei nicht-linearen Schaltkreisen nicht mehr funktionierten. Die Folge: Diese waren dadurch unmöglich zu berechnen.
HP-Forscher Stanley Williams rechnet in drei Jahren mit marktreifen Geräten auf Basis von Memristor-Technologie (Bild: ZDNet).
Der Begriff "Memristor" setzt sich aus Memory und Resistor (englisch für Widerstand) zusammen. Chua stellte ihn sich in seiner Funktionsweise ähnlich vor wie die Synapsen im menschlichen Gehirn. "Und ein Memristor kann auch in Maschinen ähnlich funktionieren: Er ist das richtige, um lernende Maschinen herzustellen. Mit ihm lassen sich Maschinen bauen, die sich ähnlich wie das menschliche Gehirn verhalten, aber wesentlich leistungsfähiger sind", so Chua kürzlich während eines Besuch im Deutschen Museum in München.
Chua konzentrierte sich in den 70er Jahren darauf, die mathematischen Grundlagen zu legen. An die praktische Umsetzung ging damals weder er noch jemand anders. Das war auch kein Wunder, denn die noch junge Computerbranche war so damit beschäftigt, die bekannten und bewährten Technologien zu optimieren – was ihr ja auch in bewundernswerter Geschwindigkeit und mit enormen Profiten gelang -, dass einfach kein Bedarf am Memristor bestand.
So wichtig wie die Beherrschung des Feuers
Das ändert sich in den vergangenen Jahren, als bei einigen der bislang benutzten Technologien absehbar wurde, dass irgendwann die physikalischen Grenzen erreicht werden. Also machten sich Forschungsteams aller großen Firmen auf die Suche nach neuen Wegen. Dabei wurde Stanley Williams vom HP Information and Quantum Systems Lab[6] durch einen Mitarbeiter eher zufällig auf Chuas Abhandlung aufmerksam gemacht. "Das hat uns, nachdem wir es ein paar Mal gelesen haben, die Augen geöffnet", so Williams kürzlich bei einer Veranstaltung in München. "Wir waren damals und sind auch jetzt nicht die einzigen, die an nicht-flüchtigem Memory arbeiten. Dank Chua sind wir aber die einzigen, die verstanden haben, was ein Memristor wirklich ist."
Selbstsicher vergleicht Williams die Situation mit Höhlenmenschen, die sich im Winter wärmen wollen: "Während die einen das Prinzip des Feuers verstanden haben, müssen andere, die es nicht kennen, eben frieren." Damit spielt Williams auf die langwierigen, aber bisher nicht von kommerziellem Erfolg gekrönten Bemühungen beispielsweise von IBM und Infineon bei der Entwicklung von MRAM[7] sowie das Engagement von Intel und Samsung bei PCRAM[8] an. Eine Erfindung mit der Beherrschung des Feuers durch den frühen Menschen gleichzusetzen, fordert natürlich Widerspruch heraus. Was also kann Memristor, um diesen Vergleich zu rechtfertigen?
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Blick ins mobile Internet der Zukunft[9]
» zur Bildergalerie ...[9]Ist die Serienreife erreicht, will HP Memristoren nicht selbst produzieren, sondern an die üblichen Fertiger lizenzieren. Damit soll sichergestellt sein, dass die Technologie die nötige Verbreitung am Markt bekommt und die Produktionskosten im Rahmen bleiben. Gefertigt werden sollen die Memristoren mit einer der bisher in den Fabriken verwendeten sehr ähnlichen lithographischen Technik.
Stanley Williams und Leon Chua bei ihrem Besuch im Deutschen Museum. Sie kamen, um im Zentrum für neue Technologien des Museums ein Modell des Memristor einzuweihen (Bild: ZDNet).
Williams persönlich schätzt, dass in drei Jahren erste Geräte mit Memristoren auf den Markt kommen. Derzeit habe man versuchsweise 300-Millimeter-Wafer hergestellt. Offenbar hat HP jedoch die Phase der Vorarbeiten schon verlassen. Legt man die Planungs- und Produktionszyklen von herkömmlichen Chips zugrunde, müsste HP schon mit einigen Fertigern in fortgeschrittenen Gesprächen stehen, wenn das von Williams anvisierte Ziel erreicht werden soll: "Es gibt für jede Technologie ein Zeitfenster, in dem sie erfolgreich am Markt platziert werden kann. Flash ist nahezu ausgereizt, die Leistungsmerkmale werden sich bald nicht mehr wesentlich optimieren lassen." Das sei dann der richtige Zeitpunkt für den Markteintritt von Memristor.
Nie mehr booten
Memristor ist aber wesentlich mehr als ein Ersatz für USB-Speichersticks. Die neue Technologie soll auch gleich noch DRAM, SRAM, SSDs und Festplatten ablösen. Vielleicht nicht alle auf einmal, aber doch eine nach der anderen. Schaltet ein Nutzer seinen Laptop heute aus, müssen die für seine Arbeit wichtigen Daten aus dem DRAM erst auf die Festplatte (oder demnächst die SSD) übertragen werden. Beim Neustart findet der Datenabgleich in umgekehrter Richtung statt.
Anders als DRAM "vergisst" Memristor aber nichts - auch wenn keine Spannung anliegt. Der Nutzer kann daher sofort nach dem Anschalten da weiterarbeiten, wo er das letzet Mal aufgehört hat. Der zweite Vorteil, gerade bei mobilen Geräten, ist der wesentlich geringere Energiebedarf sowie die geringere Empfindlichkeit.
Kleiner Nachteil: Derzeit ist Memristor noch etwas langsamer als DRAM. Williams meint aber, Memristor sei auf alle Fälle "schnell genug", um die gängigen Anforderungen zu bewältigen. Man könne heute ein Bit in fünf Nanosekunden schreiben, und in zwei Nanosekunden löschen. Der Energiebedarf dafür liege bei einem Picojoule. Das sei weniger als bei DRAM.
Größer ist dagegen die Speicherdichte. Zur Zeit passen ein Terabit an Daten auf einen Quadratzentimeter. Da es jedoch einfach sei, Memristor schichtweise übereinander anzuordnen, sei ein Terabyte pro Quadratzentimeter durchaus möglich. In drei Jahren, zur Marktreife, rechnet Williams mit einer Speicherdichte von 20 GByte pro Quadratzentimeter. "Das ist ungefähr so viel, wie Flash dann schaffen wird", so Wiliams.
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Forscher vervierzigfachen Speicherdichte von Magnetbändern[13]
» zur Bildergalerie ...[13]Mit den Bausteinen lassen sich HP zufolge Berechnungen "dezentral", also außerhalb eines zentralen Prozessors durchführen. "Memristor-Geräte könnten das Standard-Paradigma bei Computern ändern. Denn mit ihnen lassen sich Berechnungen in denselben Chips ausführen, in denen die Daten gespeichert sind, anstatt in einer zentralen Recheneinheit", so Williams.
Eine Schaltung mit 17 Memristoren unter dem Rasterkraftmikroskop. Jeder Memristor besteht aus zwei mit Draht verbundenen Schichten Titandioxid. Wird an eine Schicht Spannung angelegt, ändert sich der Signalwiderstand in der anderen. Damit lassen sich digitale Daten speichern (Bild: Stan Williams, HP Labs).
"Nach unserer Einschätzung könnten wir dadurch in ferner Zukunft in der Lage sein, kleinere, stromsparendere Computersysteme zu bauen. Und das, nachdem es schon nicht mehr möglich ist, Transistoren nach dem Mooreschen Gesetz[15] weiter zu verkleinern." Darüber hinaus sollen Prozessoren mit Memristoren die Silizium-Komponenten ersetzen, die etwa in E-Book-Reader-Displays verwendet werden. Überhaupt könnte man dank der neuen Bausteine bei vielen Geräten auf Silizium-Bestandteile verzichten.
Memristor als Katalysator für die Nanotechnologie
Mittelfristig könnte Memristor auch der Nanotechnologie in der IT zum Durchbruch verhelfen. Ideen, wie das aussehen könnte, haben Williams und HP auch schon: Im Projekt CeNSE[16] entwerfen die HP-Forscher ein Sensor-Netzwerk aus vielen winzigen Computern, das alle möglichen Aufgaben erledigen kann. "Der bereits existierende Sensor-Chip lässt sich in unseren Fabriken für Druckerpatronen kostengünstig herstellen", so Williams. "Aber das vorhandene elektromechanische Gerät, in dem der Sensor verbaut wird, ist derzeit noch so groß wie eine Druckerpatrone. Es muss noch viel kleiner werden."
Ein Sensormodul mit einem MEMS-Akzelerometer von HP (Bild: Margie Wylie).
"In Zukunft, wenn wir einen Memristor und eine Logikeinheit hinzugefügt haben, werden wir alles auf einen einzigen Chip packen und in praktisch jedes Gerät einbauen können", sagt Williams. Die dritte Stufe werde die Implementierung auf Nanopartikelebene sein.
Dann könnten Nanosensoren in Farben für Anstriche und vielen anderen Substanzen stecken. Der Zeitrahmen für CeNSE-Produkte steht schon fest. "Unsere ersten Sensormodule mit Akzelerometer sind für den Industrieeinsatz verfügbar", erklärt Williams. "Die Funktionen für Vernetzung, Datenverarbeitung und Auswertung sind in zwei bis drei Jahren fertig." Praktisch: Das ist gerade dann, wenn auch die Memristoren in Serienfertigung gehen sollen.
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Galerie: IBM Nano - Nanotechnologie auf dem Sprung[17]
» zur Bildergalerie ...[17][1] = http:/
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