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Speichern mit Licht

Der weltweit erste, völlig auf Licht basierende Speicherchip, der Daten dauerhaft speichern kann, wurde von Materialwissenschaftlern an der Universität Oxford in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern in Karlsruhe, Münster und Exeter entwickelt. Der Chip, der mit Materialien aufgebaut wurde, die in wiederbeschreibbaren CDs und DVDs verwendet werden, könnte dazu beitragen, die Datenübertragungsgeschwindigkeit in modernen Rechnern drastisch zu verbessern.

Heutige Computer werden durch die relativ langsame Datenübertragung zwischen Prozessor und Speicher ausgebremst. „Es gibt keinen Sinn, schnellere Prozessoren einzubauen, wenn die Bremse beim Übertragen von Informationen zu und aus dem Speicher liegt – der sogenannte von-Neumann-Flaschenhals„, erklärt Professor Harish Bhaskaran, der die Forschung leitete. „Aber wir denken, dass Licht die Übertragung erheblich beschleunigen kann.“

Die einfache Überbrückung der Prozessor-Speicher-Engstelle mit Hilfe von Photonen ist aber nicht effizient, da die Daten erst in optische Signale und nach der Übertragung wieder in elektronische Signale umgewandelt werden müssen. Zur Steigerung der Übertragungsgeschwindigkeit müssten  auch Speicher und Prozessor mit Licht arbeiten.

Forscher haben immer wieder versucht, einen solchen photonischen Speicher zu entwickeln, aber die gespeicherten Daten waren immer flüchtig, was bedeutet, dass zum Erhalt der Daten Energie nötig ist. Eine Computer-Festplatte muss Daten aber unbegrenzt mit oder ohne Stromzufuhr speichern können.

Jetzt hat ein internationales Team von Forschern, darunter Wissenschaftler aus der Abteilung für Materialien der Oxford University, den weltweit ersten photonischen nichtflüchtigen Speicherchip produziert. Der neue Chip nutzt das Phasenwechselmaterial Ge2Sb2Te5 (GST), das auch für wiederbeschreibbaren CDs und DVDs benutzt wird. Dieses Material kann einen amorphen Zustand (wie Glas) oder einen kristallinen Zustand (wie Metall) annehmen, je nachdem. ob elektrische oder optische Impulse verwendet werden. Die Forscher benutzen einen kleinen Bereich des GST, der als Wellenleiter bekannt ist, um die Lichtimpulse zu transportieren.

Das Team konnte zeigen, dass intensive Lichtimpulse, die durch den Wellenleiter geschickt werden, den Zustand des GST verändern können. Ein intensiver Puls bewirkt, dass das Material schlagartig schmilzt und sich schnell abkühlt, wodurch es eine amorphe Struktur annimmt; ein etwas weniger intensiver Puls kann es in einen kristallinen Zustand überführen. Die beiden Zustände ergeben später, wenn Licht mit sehr viel geringerer Intensität durch den Wellenleiter geschickt wird, das je nach Zustand mehr oder weniger durchgelassen wird, die Information 1 oder 0. „Dies ist der erste echte nicht flüchtige optische Speicher „, erklärt Clarendon Scholar und DPhil Student Carlos Ríos. „Und wir konnten unser Ziel mit gängigen Materialien, die für langfristige Datenerhaltung bekannt sind, erreichen.“

Durch das gleichzeitige Senden von Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen – zeigte das Team auch, dass sie einen einzigen Puls verwenden könnten, um Daten gleichzeitig zu schreiben und zu lesen. „In der Theorie bedeutet das, dass wir gleichzeitig Tausende von Bits lesen und schreiben können, was eine nahezu unbegrenzte Bandbreite verspricht“, erklärt Professor Wolfram Pernice von der Universität Münster.

Die Forscher haben auch festgestellt, dass unterschiedliche Intensitäten von starken Pulsen exakt und wiederholbar unterschiedliche Mischungen der amorphen und kristallinen Struktur innerhalb des GST erzeugen. Als schwache Impulse durch den Wellenleiter gesendet wurden, um den Inhalt des Speichers auszulesen, konnten sie im Durchlicht subtile Unterschiede erkennen. Sie konnten acht verschiedene Zusammensetzungen erzeugen – von ganz kristallin bis zu völlig amorph – und auf diesen Daten speichern und wieder auslesen. Diese Multi-State-Fähigkeit könnte Speichereinheiten mit mehr als den üblichen binären Informationen von 0 und 1 bereitstellen, so dass ein einziges Bit des Speichers mehrere Zustände speichern oder sogar Berechnungen selbst durchführen und somit den Prozessor entlasten kann.

„Das ist eine völlig neue Art von Funktionalität mit bewährten Materialien“, erklärt Professor Bhaskaran. „Diese optischen Bits können mit Frequenzen von bis zu einem Gigahertz beschrieben werden und so gigantische Bandbreiten liefern. Das ist die Art der ultraschnellen Datenspeicherung, die das moderne Computing braucht.“

Inzwischen arbeitet das Team an einer Reihe von Projekten, die die neue Technologie nutzen sollen. Sie interessieren sich besonders für die Entwicklung einer neuen elektrooptischen Verbindung, die es ermöglicht, dass die Speicherchips direkt mit anderen Komponenten unter Verwendung von Licht und nicht mit elektrischen Signalen in Verbindung treten können.

Bildnachweis: Hans/pixabay.com/ CC0 Lizenz