Die Datenspeicherung auf Edge Geräten erfordert robuste und immer leistungsfähigere Speicherbausteine. Flash ist seit Jahren bewährt, doch neue Technologien und Materialien versprechen noch schnellere und langlebigere Speicher.
Die Verarbeitung von Daten auf Edge Geräten erfordert auch entsprechende Datenspeicher. Doch die Speicherung der Daten auf den Endgeräten stellt besondere Herausforderungen an die Speicherbausteine.
Zunächst einmal müssen sie geringe Kosten mit einer guten Performance vereinen. Außerdem sollten die Speichermedien energieeffizient sein, um sie auch in batteriebetriebenen Geräten einsetzen zu können. Edge Speicher müssen niedrigere und auch höhere Temperaturen aushalten, als es bei typischen PC-Anwendungen gefordert ist. Beim Einsetzen in mobilen Geräten, sollten auch Vibrationen und Erschütterungen ihnen nichts anhaben. Klassische Festplatten-Laufwerke (HDD, Hard Disk Drive) sind hierfür zu empfindlich und für die meisten Edge Anwendungen auch zu groß.
Flash bewährt, aber ausgereizt
Bewährt haben sich Flash-Speicher, wie man sie zum Beispiel auch vom USB-Speicherstick kennt. Dabei handelt es sich um Halbleiterspeicher, bei denen die Informationsspeicherung (Bits) in einer Speicherzelle in Form von elektrischen Ladungen erfolgt. Flash-Speicher sind zwar pro Gigabyte noch etwas teurer, ermöglichen dafür jedoch erheblich schnellere Datenverarbeitungsprozesse als HDDs. In einem Flash-Speicher können viermal höhere Lese- und Schreibgeschwindigkeiten als mit HDDs erzielt werden. Sie bieten zudem eine höhere Dichte, sparen also Platz und Gewicht, und sind aufgrund fehlender beweglicher Teile weniger fehleranfällig.
Die Entwicklung der Flash-Speicher hat sich in den letzten Jahren darauf konzentriert, die Zellen zu verkleinern und so die Datendichte zu erhöhen. Allerdings ist hier bereits mit den heutigen Nanometer-Strukturen eine physikalische Grenze erreicht und die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Speicher leidet. Eine Lösung stellen 3D-NAND-Speicher dar. Hier stapeln sich – vereinfacht gesprochen – die planaren Speicherzellen vertikal übereinander. Kürzere Verbindungen zwischen den Speicherzellen erhöhen die Speicherkapazität sowie die Speichergeschwindigkeit und reduzieren den Stromverbrauch.
„Um der enormen Nachfrage nach höherer Speicherkapazität und Zuverlässigkeit bei gleichzeitiger Senkung der Kosten pro Bit gerecht zu werden, setzen die 3D-NAND-Hersteller innovative Techniken ein“, erklärt Belinda Dube, Cost-Analyst bei der Beratungsfirma System Plus Consulting. „Sie ändern den Speichertyp, das Speicherzellen-Design und stapeln mit jeder Generation mehr Schichten, um die Bitdichte zu erhöhen und damit die Formgröße zu reduzieren. Die technologischen Veränderungen in der Zellarchitektur und die Modifikation der grundlegenden Speicherfunktionen erhöhen zwar die Komplexität des Herstellungsprozesses. Sie senken jedoch die Kosten pro Gigabyte.“
Datenspeicherung der Zukunft
Doch selbst die aktuellen 3D-NAND-Speicher stoßen bei der stetig wachsenden Datenflut und rasant steigenden Anforderungen, zunehmend an ihre Grenzen. Sowie durch die immer komplexeren KI-Applikation.
„Die Datenspeichertechnologie hat eine Skalierungsgrenze erreicht. Wir brauchen neue Konzepte, um die Datenmengen zu speichern, die wir in Zukunft produzieren werden“, erklärt Peter Zalden, Wissenschaftler am European XFEL. Diese Forschungseinrichtung betreibt den weltweit größten Röntgenlaser. Zalden hat ihn zusammen mit Forschern der Universität Duisburg-Essen genutzt, um zu untersuchen, wie die Datenspeicherung mit neuen Phasenwechselmaterialien noch besser und effizienter werden könnte.
Phasenwechselspeicher sichern Daten, indem sie den Aggregatszustand der einzelnen Bits zwischen flüssig, glasartig und kristallin ändern. Ein elektromagnetisches Feld, Wärme- oder Lichtimpulse schalten zwischen den Phasen hin und her. Diese beiden verschiedenen Zustände entsprechen der „0“ und „1“ des Binärcodes. Entsprechende Speicher könnten tausend Mal schneller und dabei erheblich langlebiger sein als bisherige Flash-Speicherchips. Mit ihrer Hilfe könnten die nächsten Generationen von Smartphones eine höhere Speicherdichte und Energieeffizienz aufweisen.
Eine andere vielversprechende Technologie basiert auf magnetischen Speichern. Hierbei wird der Spin genutzt, der der Eigendrehimpuls des Teilchens ist. Man kann ihn sich ähnlich vorstellen wie den Drehimpuls eines Balls, der sich um seine eigene Achse dreht. „Der Spin hängt eng mit Magnetismus zusammen. Daher lässt er sich mit Magnetfeldern beeinflussen“, sagt Dr. Viktor Sverdlov vom Institut für Mikroelektronik der TU Wien. „Ähnlich wie man Information speichert, indem man an bestimmten Punkten unterschiedliche elektrische Ladung anbringt. Kann man auch Information speichern, indem man an bestimmten Punkten für unterschiedlichen Spin sorgt.“
Bei derartigen Speicher besteht im Gegensatz zu Flash-Speichern die Möglichkeit, sie beliebig oft zu beschreiben. Außerdem ermöglichen sie sehr kurze Schreib- und Lesezugriffszeiten. Noch allerdings sind diese neuen Speichertechnologien zu teuer, um massenhaft in Edge Geräten eingesetzt zu werden. Aber die Entwicklung geht weiter.