UltraRAM – vielleicht die nächste große Computing-Revolution

UltraRAM – die Vereinigung von SSD und RAM

Eine von Forschern demonstrierte bahnbrechende Technologie könnte die bestehende Praxis der Implementierung von Datenspeicher- und dynamischen Speicherkomponenten (RAM) als separate Einheiten auf den Kopf stellen. UltraRAMs, die möglicherweise noch Jahre von der Masseneinführung entfernt sind, können Platz in PCs sparen und Daten für 1.000 Jahre speichern. Doch was hat es mit dieser Technologie auf sich und welche Vorteile soll sie bieten? In diesem Blogbeitrag erfahren Sie alles Wissenswerte über UltraRAM, der unter anderem beim Gaming unter Windows 11 unvorstellbare Ergebnisse liefern dürfte.

Massenspeicher und RAM – das bisherige Konzept

Das Design heutiger Hauptplatinen für Computer erfordert zwei unterschiedliche Steckplätze für Speicher und Arbeitsspeicher. Dies liegt in erster Linie an den technologischen Einschränkungen bei der Überbrückung der Lücke zwischen den beiden sehr unterschiedlichen Komponenten, die den Kern des Computing bilden. Dank des jüngsten Durchbruchs von Forschern der Fakultät für Physik und Ingenieurwissenschaften der britischen Lancaster University könnten sich die Dinge jedoch bald ändern. Wir werfen zunächst einen Blick auf die aktuelle Speicherarchitektur bei handelsüblichen Computern. Dabei ist es unerheblich, ob es sich um einen PC mit Windows oder einen Mac handelt.

Die langfristige Speicherung impliziert im Wesentlichen die Fähigkeit, Informationen in der Komponente auch nach einer Unterbrechung der Stromversorgung oder mit anderen Worten, wenn der Computer heruntergefahren wird, zu erhalten. Auf der anderen Seite werden Daten in einem flüchtigen Speicher wie dem Arbeitsspeicher (RAM) sofort verworfen, sobald die Stromversorgung des Motherboards unterbrochen wird.

Speichereinheiten wie Solid-State-Laufwerke (SSD) oder Festplattenlaufwerke (HDD) dienen als Zubringer zum Arbeitsspeicher, der relevante Daten lädt, wenn das Betriebssystem oder eine andere Anwendung gestartet wird. Diese Daten werden dann an die Zentraleinheit (CPU) gesendet. In einigen Fällen kann und wird nichtflüchtiger Speicher als RAM verwendet.

Beispielsweise ermöglicht Windows 7 einem Benutzer, einen Teil des Speicherplatzes als RAM zuzuweisen. Nichtflüchtiger Speicher, sogar SSD, ist jedoch nicht so schnell wie DRAM, wodurch seine Anwendbarkeit für ein kombiniertes Angebot eingeschränkt wird. Nichtflüchtiger Speicher versagt auch in Bezug auf die Speicherlebensdauer, das heißt wie oft ein Speichergerät den Schreib-/Löschzyklus ausführen kann, bevor es beim Lesen der Daten versagt.

UltraRAM – das ist mit dem Durchbruch verbunden

Der Durchbruch wurde Anfang 2022 von den Physikern Peter D. Hodgson, Dominic Lane, Peter J. Carrington, Evangelia Delli, Richard Beanland und Manus Hayne veröffentlicht. Es beschreibt, wie ihre Forschung die Massenproduktion von UltraRAM ermöglichen kann, indem „die Nichtflüchtigkeit eines Datenspeichers wie Flash mit der Geschwindigkeit, Energieeffizienz und Ausdauer eines Arbeitsspeichers wie DRAM“ kombiniert wird.

Die Technologie, die Quantentöpfe aus Indiumarsenid (InAs) und Barrieren aus Aluminiumantimonid (Alsb) nutzt, ist für Laien schwer zu erklären. In einfachen Worten bedeutet dies, dass die UltraRAM-Weiterentwicklung die Notwendigkeit beseitigt, zwei unterschiedliche Speicherkomponenten für zwei verschiedene Funktionen zu unterhalten. Theoretisch kann ein einziger UltraRAM die Langzeitspeicheranforderungen erfüllen, ohne die Geschwindigkeit des DRAM für wahlfreie und schnelle Zugriffsoperationen zu beeinträchtigen.

Das Konzept von UltraRAM ist jedoch nicht neu. Unter anderem Intel versuchte sich an der Entwicklung einer schnellen Speicherkombination. Das Ergebnis ist Intel Optane, eine Beschleunigungslösung, die zwischen dem Prozessor und langsameren Datenspeichern installiert wird. Während Optane durchaus halsbrecherische Geschwindigkeiten bietet, trafen bislang nur kleinere 16-GB- oder 32-GB-Optane-Module konsequent den gewünschten Punkt. Neben Intel Optane konnten auch Entwicklungen von Samsung und anderen Herstellern nicht die breite Masse überzeugen.

Die Physiker stellten die Theorie auf, dass ihre Forschung die Barrieren in der Massenproduktion von UltraRAM niederreißen könnte. „Die Programmier-/Löschspannung von ≈2,5 V und die geringe Flächenkapazität des Geräts führen zu einer Schaltenergie pro Flächeneinheit, die 100- bzw. 1.000-mal niedriger ist als bei DRAM und Flash“, stellten sie fest. Sie fügten hinzu: „Extrapolierte Aufbewahrungszeiten von über 1.000 Jahren und degradationsfreie Dauertests von über 10^7 Programmier-Löschzyklen beweisen, dass diese Speicher nicht flüchtig sind und eine hohe Lebensdauer haben. Weitere Arbeiten zur Verbesserung der Epitaxiequalität, zur Feinabstimmung des Herstellungsprozesses, zur Implementierung eines selbstsperrenden Kanaldesigns und zur Skalierung der Geräte sind im Gange.“

UltraRAM – vermutlich wird es noch einige Jahre dauern

Bis UltraRAM im großen Stil produziert werden kann, werden vermutlich noch einige Jahre ins Land ziehen. Mögliche Anwendungsfälle reichen vom gewöhnlichen PC mit Windows zu Hause bis hin zu Supercomputern. Normale PCs benötigen in Zukunft wahrscheinlich ein überarbeitetes Motherboard-Design, wenn sich UltraRAMs als Hit erweisen. Darüber hinaus könnten UltraRAMs die Implementierung von Speicherhierarchien in Rechenzentren vereinfachen.

Einige der anderen Fortschritte in den letzten Jahren umfassen ferroelektrisches RAM (FRAM), magnetoresistives RAM (MRAM) und Phasenwechsel-RAM (PRAM). Die Zukunft der Speichertechnologie wird höchstwahrscheinlich energieeffizienter, schneller, zuverlässiger und hoffentlich auch erschwinglicher sein.

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