Sogenannte resistive Speicherzellen (ReRAM) gelten als vielversprechende Lösung für zukünftige Computerspeicher: Sie benötigen deutlich weniger Strom bei gleichzeitig gesteigerter Leistungsfähigkeit. Bis glaubte man, dass die neuartigen Speicherzellen rein passive Bauelemente seien. Nun haben Forscher allerdings festgestellt, dass sie auch als kleine Batterien betrachtet werden müssen.
Herkömmliche Datenspeicher arbeiten auf der Basis von Elektronen, die verschoben und gespeichert werden. Doch Elektronen sind – selbst für atomare Verhältnisse – extrem klein. Sie lassen sich nur mit großem Aufwand, mit relativ dicken Isolatorwänden etwa, "bändigen", sodass die Informationen nicht verloren gehen. Dies beschränkt nicht nur Speicherdichte und Geschwindigkeit, sondern kostet auch viel Energie. Aus diesem Grund wird weltweit an nanoelektronischen Bauelementen geforscht, die Ionen, also geladene Atome, zur Datenspeicherung nutzen. Diese sind einige Tausend Mal schwerer als Elektronen und viel besser "festzuhalten". Dadurch lassen sich die einzelnen Speicherelemente beinahe zu atomaren Dimensionen verkleinern, was die Speicherdichte enorm verbessert.
In sogenannten resistiven Speicherzellen (ReRAM) verhalten sich die Ionen auf Nanometerskala ähnlich wie in einer Batterie. Die Zellen enthalten zwei Elektroden, beispielsweise aus Silber und Platin, an denen sich die Ionen lösen und wieder niederschlagen. Dadurch verändert sich der elektrische Widerstand, was sich für die Speicherung von Daten ausnutzen lässt. Die Reduktions- und Oxidationsprozesse zeigen darüber hinaus aber noch eine andere Wirkung: Sie erzeugen eine elektrische Spannung. ReRAM–Zellen sind demnach keine rein passiven Systeme, sondern aktive elektrochemische Bauelemente. Sie müssen folglich als winzig kleine Batterien betrachtet werden, deren Eigenschaften entscheidend sind für die korrekte Modellierung und Entwicklung zukünftiger Datenspeicher.
"Memristoren"-Theorie gilt nicht
Die Wissenschafter vom Forschungszentrum Jülich und der RWTH Aachen haben nun in aufwendigen Versuchen die Batteriespannung von typischen Vertretern der ReRAM-Zellen bestimmt und mit theoretisch zu erwartenden Werten verglichen. Die neue Erkenntnis ist insbesondere auch für die theoretische Beschreibung der Speicherbauelemente von zentraler Bedeutung. Bisher wurden ReRAM-Zellen mithilfe der Theorie der sogenannten "Memristoren" – zusammengesetzt aus "Memory", Speicher, und "Resistor", Widerstand – beschrieben. Diese ist allerdings auf passive Bauelemente beschränkt. Nun sind ide Forscher gezwungen, neue theoretische Grundlagen für die ReRAM-Zellen zu schaffen. Damit wird auch die Entwicklung jedes mikro- und nanoelektronischen Chips auf völlig neue Grundlagen gestellt.
"Die neuen Ergebnisse werden dazu beitragen, einige zentrale Rätsel in der internationalen ReRAM-Forschung zu klären", meint Rainer Waser von der Rheinisch-Westfaelische Technische Hochschule Aachen. "Im Licht der neuen Erkenntnis wird es möglich, nun zielgerichtet das Design der ReRAM-Zellen zu optimieren und eventuell sogar Wege zu finden, die Batteriespannung der Zellen für völlig neue Anwendungen zu nutzen, die bisher jenseits aller technischen Möglichkeiten lagen." (red, derStandard.at, 4. 5. 2013)